房屋结构设计中的建筑结构设计优化*

戚世锋

(广西桂川建设集团有限公司 广西 玉林 537700)

1 建筑结构设计技术优化概述

1.1 基础结构设计优化重点

基础质量的好坏直接影响到建筑物基础的稳定性,设计单位既要对以往的设计经验进行总结,又要与建筑施工单位密切配合、有效地沟通,广泛吸纳建筑基层设计及施工方面的专业人士的观点,最终制定出一份适合于项目实际的基层施工方案。比如房屋的抗震能力不仅取决于抗震墙体的建造要求,还取决于房屋的上、下两部分结构的配合[1]。因此,在进行房屋的结构设计时,既要考虑抗震要求,又要考虑基础的构造形式,从而使基础的构造更加科学合理。

1.2 建筑整体结构设计优化重点

建筑工程的总体结构的设计质量和总体结构的设计水平对建筑工程的各个方面都有很大的影响,如建筑结构的抗震性能、抗剪能力、建筑资源消耗情况等。所以在进行建筑整体结构设计时,一定要根据工程需要,有针对性地对建筑设计方案进行技术上的优化。目前,我国建筑结构的总体结构设计主要有框架结构、短肢剪力墙结构、框架-剪力墙结构等,都具有独特的构造优势。因此,在进行建筑设计时,要根据建筑产品的使用目标以及建设项目的实际条件,对其所包括的各项因素进行科学合理的技术优化。

1.3 建筑结构细部设计优化重点

在建筑结构中,将多个矩形板彼此相连,以增加结构上的应力。同时,通过多个矩形板的组合方式,可以很好地控制墙体的角缝。此外,由于抗震墙体主要使用的是冷轧带肋钢筋,因此,在结构抗震墙体的设计过程中,应将其用量保持在一定的范围内,以便于后期的现场施工作业,并减少工程造价成本。在对建筑物进行细节设计的过程中,为保证细节的精度,经常使用3D 建模方法来构建细节建模,使得细节建模更直观、更精确[2]。

2 建筑结构优化措施

2.1 概念设计优化技术措施

为了确保建筑结构设计的连贯性,在进行设计前,设计团队应该对建筑物所在的区域进行实地考察,获得第一手的设计资料,一起讨论建筑结构设计的思路,着重讨论建筑材料的设计标准和相关的参数。在讨论关于建筑结构概念的问题时,既要有设计团队中的相关人员,也要有建设单位中的相关人员,力求在设计方案的形成过程中,对建筑的结构设计概念达成一致。通过对建筑结构设计的前期内容探讨,提升对建筑结构设计的准确性和完备性,并降低因建筑结构设计概念和设计方案内容模糊而导致的后续施工进度推迟的可能性[3]。此外,在建立建筑结构设计概念时,把建筑的各个方面都结合起来进行系统性的讨论,可以有效的加深相关人员对建筑项目和结构设计的理解。

2.2 建筑安全结构技术优化措施

在施工过程中必须贯彻“安全第一”的方针,以保证施工质量的持续提升。基于此,建筑结构的设计者必须对周围的自然环境有一个较为透彻的了解,并做出合理的判断,特别是在连续降雨或较大的季节降雨区域,要注意降雨对建筑物本体的不利影响,在进行设计时要有针对性的应对措施。在此基础上,工程设计者要充分认识到在特定的自然条件下如地震等,对工程进行合理的防护,使其在特定的自然条件下,仍然具有较强的抗灾能力。在建筑结构的抗震性能分析中,应考虑建筑结构的抗震性能。

3 建筑结构设计优化

3.1 工程概况

笔者选择了一栋住宅楼作为研究对象,该大楼的总高度为80 m,是一种具有A 类高度的钢筋混凝土高层建筑。本项目的主要结构是一种现浇钢筋混凝土剪力墙结构,安全等级为三级,抗震设防级别为乙类,它的设计使用年限为50年,抗震设防烈度为8度,建筑场地类别为II类,设计基本地震加速度为0.05 g。该地区的基础风压力为0.362 k N/m,积雪压力为0.462 k N/m。本工程的风荷载系数为1.4,地表的粗糙度为B级。

该区域的原有地形为涟水河流域的冲沉积阶地。井眼孔口标高大约为48 m。该地基属于中等强度的软黏土,该地基属于二类。从上到下的各个层次如图1所示。

图1 工程地基各个土层

3.2 结构选型

3.2.1 竖向结构选型

本工程为26层80 m 的多层住宅,根据住宅楼的高度和用途,有两种结构型式可供选用。然而在纯住宅小区中,框架柱的存在会在某种程度上影响到整体的空间感受,而且住宅小区中的房屋划分也不够规范,这就导致框架柱的网络化布置很难做到规则均匀。尽管在承载力方面,柱的抗侧向承载力比剪力墙低,但是柱的抗侧向承载力更强,且柱的抗侧向承载力也更强。将中部圆柱与剪力墙结合,可以构成一种抗侧能力很强的结构体系,特别适合于多层结构体系。但若在低烈度区,又不是高层建筑时,因结构刚度过大,容易造成地震效应过大且成本过高[4]。通过比较两种方法的优缺点,最终确定采用剪力墙承重结构。

3.2.2 水平承重结构选型

剪力墙既要承受竖向荷载,又要连接竖向荷载。所以,水平受力的设计对保证建筑物的总体稳定和水平荷载的有效传导起到了很大作用。对于水平荷载作用下的结构形式,可分为板式、无梁式、密式、带肋、带肋和带肋等。

鉴于《高层建筑混凝土结构技术规程》对50 m 及更大高度的剪力墙采用了现浇板,本工程采用了目前广泛采用的现浇板来进行水平受力。另外,根据现行规范,对于现浇式建筑,其混凝土强度一般为C20～C40,故本次工程选用C30。

3.2.3 底部结构选型

在工程建设中如何选取合适的基础,直接影响到工程建设的安全,同时还影响到工程建设的成本和进度。所以,在建筑物的设计中选用稳定性好、承载能力大、沉降量少的土层为基础的承载层。此外,所选取的基础形态也要具有一定的稳定性,刚性大、变形小,而且要有很强的抗倾覆和抗滑移的能力,尽可能的避免由于地面不均匀的沉降而造成的倾斜。在多层结构中,常有筏形基础、箱形基础、桩形基础等[5]。

该项目采用钻孔灌注桩法,采用现场浇筑水泥土作为围护结构。它是人工开挖成孔洞,然后在孔洞中放置钢筋笼子并灌筑水泥土。该方法具有占地面积小、造价低、技术简便的优点,施工时可以在钻孔中进行成井质量检测,通常适合于地下水水位低、土质致密、干旱地区和多岩石地区。

3.3 剪力墙结构布置原则

在超大型建筑物的总体设计中,首先要考虑建筑的抗震条件,然后对房屋平面布置进行合理的规划,同时还要对房屋的构造进行合理的规划,最后才考虑超大型建筑物的设计要求。所以在进行抗震设计时,应综合考虑其结构系统、房屋尺寸、刚度分配和各部分的性能。在此基础上,本文拟在建筑节点、转角处等适当位置,采用多种形式的墙板,利用梁板将其与墙面进行高效连接,以增强其抗弯承载力。在上述研究的基础上,依据结构的性能需求及设计条件,对结构进行以下几方面的优化:

(1)充分发挥结构的横向刚性,以抵抗强地震、强风等载荷;

(2)充分发挥建筑材料的力学性能。

在上述原则的基础上,参照规范中关于剪力墙布置的规定,笔者做以下几点的探讨:

(1)为了保证框架的刚度不致过大,必须在合适的部位多加几块壁面。在同样的洞口和肢长情况下,剪力墙的厚度是固定的,但是墙的长度和数量是可以调整的。笔者从建筑结构的地震防护角度出发,探讨了建筑结构的抗震防护方法;

(2)尽量选用同一支柱,使各构件间的地震反应均匀,并有效地抑制墙体的超筋现象;

(3)除了建筑的窗口外,还可以根据楼房的设计及使用需求,增加楼房的开洞口。同时,在结构的各个层面上,要明确梁间的传能路径,尽量减少出现多层结构的传力现象。由于梁的跨度非常短,因此,如果不是刚度需要,梁高设置不用过高。

3.4 设计方案的优化

房屋建筑的特点为:由于建筑单体数量较多,导致了其在空间上的分布不均匀,竖向没有特定的构件、布置规律,易发生意外等。在进行剪力墙的设计时,要考虑到墙体的位置、尺寸和数量等因素。笔者以原设计计划为依据,以某住宅项目为例,以剪力墙的布置及数量为依据,对该建筑实际方案进行优化设计。

方案一:原先方案是遵循了规范中所确定的剪力墙布局的原则,并以建筑的平面特点为基础,对其进行了布局。其标准层结构平面图如图2所示。

图2 方案一结构平面布置图

方案二:从优化布置角度来看,根据以下几个方面进行优化:

(1)强化边缘,弱化中心;

(2)墙肢的形状规则,尽量减少复杂墙肢的应用;

(3)用连梁或框架梁将该剪力墙联结在一起,以保证该剪力墙的整体刚度。

该标准层结构平面图如图3所示。剪力墙结构单位面积的重力采用15 k N 进行计算取值,即G=15 k N/m2×12 000m2=180 000 k N,使运算大大简化。根据《建筑抗震设计规范》的规定,为确保在地震作用下的安全,[θ]max=1/2 000,αmax=0.035,Tg=0.04ψT=0.80,计算出FEK=1 128.58 k N。根据结构的约束条件,EIeq≥2.7H2Σni=1Gi进行结构验算,得出在同一轴上,剪力墙结构所需的总抗侧刚度Ecleq=3.58×109k N/m2。根据工程实际情况,本研究拟使用弹性模量平均值Ec=3.20×104k N/mm2。在设计方案二中,X方向上的抗侧刚度为EcIeq=6.89×109k N/m2,Y 方向上的抗侧刚度为EcIeq=5.78×109k N/m2,此模式抗侧等效刚度较大,有待进一步优

图3 方案二结构平面布置图

图4 方案三结构平面布置图

4 结语

我国住宅建设日益受到重视,人们对住宅的需求从单纯的实用性、安全性,向美观、经济、适用等方面倾向。为了保证住宅建筑的正常使用,必须对其进行合理的结构设计,以达到提高建筑利用率、节约成本的目的。为此,结构设计应引进全新的设计理念,从建筑的使用功能、施工现场环境、设计使用寿命等全面地分析建筑结构,从建筑主体结构、结构形式、给排水系统、构件等多方面来对建筑结构设计进行优选,采取最优的结构设计方案,既可以满足人们的生活需要,又可以促进建筑业的高品质发展。