高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計成本優(yōu)化分析
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摘要:本文簡述設(shè)計各階段與成本管理的相互關(guān)系，介紹高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本流程，重點就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計成本優(yōu)化的方法進行介紹，并結(jié)合公司某在建項目建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化經(jīng)驗進行分享。旨在提高對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重要性的認識，提升對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化原理的了解，并為后續(xù)項目的優(yōu)化設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:成本管理;剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計;設(shè)計優(yōu)化
前言
設(shè)計階段是成本管理的關(guān)鍵階段，設(shè)計階段的造價是建安工程費用控制的關(guān)鍵，優(yōu)秀的設(shè)計是項目盈利最基本的保障。設(shè)計階段成本管理兩大關(guān)鍵要求就是在設(shè)計任務(wù)書中要求限額設(shè)計，再組織設(shè)計結(jié)果評審進行成本驗算。本文主要針對設(shè)計階段中建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計階段，如何通過設(shè)計優(yōu)化，從而達到控制成本的目的。
1工程概況
1．1建筑設(shè)計總體概況
某工程位于翔安大道與翔福路交叉口東南側(cè)，總建筑面積58000m2，地上總建筑面積43000m2，地下室建筑面積15000m2，建筑層數(shù)為地上1～33層，地下1層。包括7棟單體建筑，1#、2#樓33層，總建筑高度97．8m，底層公共架空，2層至頂層均為住宅;3#樓32層總建筑高度94．9m，底層公共架空，2層至頂層均為住宅;4#樓為1層的變電所;5#～7#樓地上為3棟4～6層多層住宅。
1．2結(jié)構(gòu)設(shè)計工程概況
結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0．15g，設(shè)計地震分組:第2組;場地類別:Ⅱ類;結(jié)構(gòu)抗震等級:1#～3#樓抗震等級二級，4#～7#樓抗震等級三級。50年一遇的基本風壓:0．80kN/m2，地面粗糙度:B類。上部結(jié)構(gòu)體系:1#～3#樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，4#～7#樓為框架結(jié)構(gòu)。
2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計
2．1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟
確認結(jié)構(gòu)設(shè)計原始條件，進行結(jié)構(gòu)選型和布置，手算、估算結(jié)構(gòu)截面，確定上機計算各參數(shù)、各荷載，計算機建模計算，根據(jù)電算結(jié)果分析、判斷，進行模型調(diào)整計算，合理后確定繪圖各參數(shù)，繪制施工圖，施工圖檢查調(diào)整，出圖。
2．1．1結(jié)構(gòu)選型和布置根據(jù)房屋適用高度和高寬比要求，本項目1#－3#樓建筑高度均在80～100m，抗震設(shè)防烈度為7度，參考表1可選用框架－剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系?？蚣埽袅Y(jié)構(gòu)的特點是能獲得較大的空間、房間布置靈活，但框架柱截面尺寸較大。剪力墻結(jié)構(gòu)特點是室內(nèi)沒有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分戶、防火、防盜、隔聲，但空間靈活性較大。本工程為住宅項目，結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)體系各自的特點，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系更能符合功能性、適用性要求。確定剪力墻的布置原則是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵第一步。剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻除承受豎向荷載外，還要承受水平力的作用，抵抗水平力能力的大小由剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大小決定，而剪力墻布置的位置、長度、厚度決定了剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度和剛度分布。為得到較大的平面剛度和抗扭剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻要遵循“周邊、對稱、成對、封閉”等布置原則。
2．1．2估算結(jié)構(gòu)截面按規(guī)范要求，本工程高層建筑剪力墻厚度底部加強部位不應(yīng)小于200mm。結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，30層左右高層初選剪力墻截面厚度為200～350mm，宜按300mm厚進行估算。剪力墻的長度宜取8倍或8倍以上厚度，且不宜大于8m，避免出現(xiàn)墻肢長度不大于墻厚的3倍的過短墻肢或過長的墻肢。同時考慮建筑門、窗洞口的位置初步確定剪力墻的長度。
2．1．3電算結(jié)果分析、判斷通過PKPM或YJK電腦計算軟件建立結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，布置構(gòu)件，輸入荷載和計算參數(shù)，進行結(jié)構(gòu)計算得出結(jié)果。電算結(jié)果分析、判斷目標主要參數(shù)如下:①軸壓比，控制剪力墻在垂直重力荷載作用下的平均軸壓比水平為0．5左右，以保證經(jīng)濟性;②剪重比，主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性;③剛度比和層間受剪承載力比，主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，確保結(jié)構(gòu)安全性和設(shè)計的經(jīng)濟性;④周期比、位移比，主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，剪力墻結(jié)構(gòu)位移比控制在1/1000以內(nèi)并盡量接近，確保設(shè)計經(jīng)濟性;⑤剛重比，主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風載或地震力的作用下整體失穩(wěn)，確保結(jié)構(gòu)的安全性。
2．1．4繪制施工圖在施工圖繪制階段，按電算結(jié)果確定的構(gòu)件截面、混凝土強度、配筋數(shù)據(jù)等信息，以規(guī)范和圖集要求的制度標準，繪制出符合深度要求的結(jié)構(gòu)施工圖。在電算階段主要是解決結(jié)構(gòu)整體的安全性問題，施工圖階段主要是要考慮建筑構(gòu)造要求，保證建筑結(jié)構(gòu)的耐久性要求，同時，施工圖應(yīng)能滿足現(xiàn)場施工的深度和細度要求。
2．2剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計成本控制要點
2．2．1重視概念設(shè)計了解鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，側(cè)向剛度大，承載力大，但空間靈活性較差、結(jié)構(gòu)自重較大的特性，發(fā)揮其所長，克服其所短，重視概念設(shè)計。從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數(shù)量、剪力墻的長度、剪力墻的厚度，保證剪力墻結(jié)構(gòu)剛度均勻和剛度適宜。
2．2．2重視規(guī)則性應(yīng)重視其平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對抗震性能及經(jīng)濟合理性的影響，宜擇優(yōu)選用規(guī)則的形體，其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小、避免側(cè)向剛度和承載力突變。高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)控制建筑的高寬比、長寬比、立面的凹凸、樓板開洞、豎向構(gòu)件不連續(xù)等指標。
2．2．3重視結(jié)構(gòu)層高結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移與高度呈四次方關(guān)系上升。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，而且要求具有足夠的抗側(cè)移剛度，以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。控制層高，可降低水平力的作用，減少抗側(cè)移構(gòu)件面積，進而降低成本。據(jù)經(jīng)驗，層高每增加10cm，土建建造成本增加2%～5%。
2．2．4重視荷載1)從荷載組合上，把握好地下室頂板覆土厚度和頂板消防車荷載、施工活荷載的控制，應(yīng)考慮覆土層擴散作用對消防車荷載的折減，覆土荷載和施工活荷載不同時組合。2)從材料選擇上，內(nèi)、外隔墻盡量選用輕質(zhì)材料，減小豎向作用荷載。
2．2．5重視電算參數(shù)合理考慮周期折減系數(shù)、雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、偶然偏心、斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向的附加地震作用等電算參數(shù)。周期折減系數(shù)的取值直接影響到剪力墻的配筋，盲目折減，造成剛度過大，吸收的地震作用也增大，導致剪力墻配筋增大?？紤]雙向地震作用后結(jié)構(gòu)配筋一般增加5%～8%，單構(gòu)件最大可能增加1倍左右?？刂莆灰票炔怀瑯耸鞘欠窨紤]雙向地震作用的關(guān)鍵?？紤]偶然偏心后結(jié)構(gòu)墻及梁用鋼量將增加3%左右?？紤]多方向地震對構(gòu)件配筋平均增加5%左右。
3剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
3．1剪力墻布置位置的優(yōu)化
7度區(qū)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，標準層單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約占45%～65%，剪力墻邊緣構(gòu)件用鋼量約占30%～50%。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)特別注意剪力墻的布置，減少不必要的暗柱布置，具體可采取如下措施:強周邊、弱中部;多均勻長墻、少短墻;多L形、T形、十字形墻肢、少復雜形狀;沿高度均勻變化;各墻肢軸壓比接近。
3．2剪力墻數(shù)量、長度及厚度的優(yōu)化
1)剪力墻的布置數(shù)量可利用層間位移角指標來控制，純剪結(jié)構(gòu)的層間位移角盡可能接近限值1/1000，使結(jié)構(gòu)體系剛度適宜，剪力墻的布置數(shù)量合理。2)剪力墻長度除盡量避免出現(xiàn)短肢剪力墻外，還應(yīng)限制墻肢的軸壓比，控制在0．5左右為宜。3)剪力墻厚度在滿足墻體穩(wěn)定性驗算、剪力墻軸壓比限值等要求外，宜按規(guī)范要求的最小剪力墻厚度取整50mm進行設(shè)計。
3．3其他設(shè)計優(yōu)化
1)剪力墻混凝土強度，宜沿樓層從下到上逐漸降低，100m以內(nèi)高層，低層不宜超C45，上部樓層以C30為宜，頂部可降低到C25。2)暗梁布置，純剪力墻結(jié)構(gòu)在樓層處不必設(shè)置暗梁。3)梁板布置時，梁的經(jīng)濟跨度一般為3．0～5．0m之間，樓板厚度一般按撓度、裂縫及板內(nèi)設(shè)備穿管的最低要求取值。4)剪力墻配筋時，要嚴格區(qū)分底部加強部位和非加強部位，對墻段豎向分布筋等通常不由內(nèi)力控制的鋼筋，僅需按最小配筋率配制，不須提高其配筋量。
3．4本項目高層住宅優(yōu)化簡述
1)內(nèi)部隔墻厚度優(yōu)化，部分墻體厚度由200厚改成100mm厚，減少材料費用，同時，減低結(jié)構(gòu)荷載。2)剪力墻厚度優(yōu)化，Y向布置剪力墻其中1、4、6、8、10、13、15、18軸29層至33層墻體厚度由250mm改成200mm，X向布置剪力墻其中D、E軸2層至33層墻體厚度由250mm改成200mm。3)次梁架立筋配筋優(yōu)化，將次梁的原設(shè)計架立筋由2C12修改為2C10;未設(shè)計架立筋的，將通長鋼筋改成2C10架立筋。4)約束邊緣構(gòu)件配筋優(yōu)化，將墻肢軸壓比小于0．4的約束邊緣構(gòu)件箍筋由C10@100改成C8@100。5)外墻裝飾線條節(jié)點大樣優(yōu)化。6)通過采取上述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施，節(jié)約建安成本約30萬元。
4結(jié)語
工程項目設(shè)計階段，在滿足安全性、耐久性的前提下，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，有利于實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性。作為設(shè)計人員和設(shè)計管理人員都應(yīng)該對此高度重度，并在工程實踐中運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，將技術(shù)和經(jīng)濟有機結(jié)合，以提高項目的投資效益。
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作者：李智 單位：廈門海晟房地產(chǎn)開發(fā)有限公司