高層建筑框剪結構設計優(yōu)化淺析

高層建筑框剪結構設計優(yōu)化淺析 摘要：結合榕發(fā)觀湖郡項目，深入研究框架柱、梁結構設計存在的問題，并結合細部構造提出了框架梁露梁、框架柱凸角設計優(yōu)化方案，以期為建筑工程設計提供思路。關鍵詞：高層建筑；框剪結構；框架梁；設計優(yōu)化0引言框架剪力墻結構是建筑工程中常見的結構形式，常用于抗震建筑、高層建筑中，如辦公建筑、高層住宅建筑等。在框架剪力墻建筑中，由框架梁、剪力墻組成結構支撐體系，框架梁結構厚度較大，局部存在露柱、露梁等問題1，即房間內(nèi)局部梁、柱凸出，該問題在大戶型建筑中影響較小，但在中小戶型建筑中，由于其面積小、層高小，框剪結構凸出的梁柱不僅占用了室內(nèi)使用空間，而且影響了室內(nèi)裝修和房間布置，降低了框剪結構建筑空間利用率，且一定程度上影響了室內(nèi)空間舒適度和空間格局美觀性。結合該問題，本文以某建筑工程為例，深入研究了高層建筑框剪結構設計優(yōu)化策略，以期提高住宅建筑結構設計科學性、合理性。1工程概況本工程為福州市榕發(fā)觀湖郡項目，位于福州市東二環(huán)，毗鄰橫嶼路、化工路，周邊路網(wǎng)密集，交通便利。根據(jù)規(guī)劃設計，本工程用地面積為33751m2，總建筑面積為140623m2，規(guī)劃建筑10棟25層住宅和5棟商業(yè)建筑。住宅建筑高度為80m，戶型面積為73.0m2、89m2、98m2、99m2、109m2、115m2和128m2，規(guī)劃736戶，容積率2.8。根據(jù)建筑工程規(guī)劃設計，本項目以小戶型建筑為主，對室內(nèi)設計精細化要求較高，部分結構設計存在露梁問題，占用室內(nèi)空間，且影響居民裝修設計，因此，本單位結合工程原結構設計細部進行優(yōu)化設計，提高室內(nèi)結構設計合理性、科學性。本次結構設計優(yōu)化內(nèi)容包括：2#、3#、5#廚衛(wèi)設計優(yōu)化、810#樓廚衛(wèi)設計優(yōu)化和11#樓柱網(wǎng)設計優(yōu)化。2結構設計難點問題及對策2.1結構設計難點問題。（1）建筑結構安全和成本問題。本次建筑結構設計主要是在初步設計圖紙的基礎上進行優(yōu)化，在不改變原結構體系的基礎上，優(yōu)化室內(nèi)框架梁、剪力墻等結構，解決局部露梁、空間布局不合理等問題。但在結構優(yōu)化設計中，需要綜合考慮建筑結構安全和成本控制等問題，防止不合理設計影響建筑結構安全性。（2）對室內(nèi)使用面積變化敏感。由于本項目主要以小戶型住宅為主，居民對室內(nèi)使用面積變化較為敏感2，要求結構優(yōu)化設計方案以保持原使用面積或增加使用面積為導向，盡量避免結構優(yōu)化設計對原使用面積的占用，給結構設計帶來一定的困難。2.2結構設計難點問題應對。針對上述問題，工程總承包單位經(jīng)與業(yè)主及設計院溝通協(xié)調(diào)，明確了結構優(yōu)化設計原則，并提出合理性應對方案。（1）結構安全和成本問題。本項目中，為保障建筑結構安全，合理控制項目建設成本，結構優(yōu)化設計主要以上部結構優(yōu)化設計為主，盡量避免調(diào)整基礎結構。室內(nèi)框架梁、剪力墻結構調(diào)整以微調(diào)為主，降低大幅度調(diào)整對本項目結構安全、造價成本的影響，確定細部設計方案后進行結構方案造價測算，對比設計優(yōu)化前后造價情況，提高結構優(yōu)化方案的經(jīng)濟性、合理性。（2）以空間增加為導開展結構設計。結構優(yōu)化設計時，為滿足業(yè)主、居民對建筑結構布局優(yōu)化和使用面積保持（或增加）的要求，工程總承包單位協(xié)調(diào)設計院提出多種結構優(yōu)化設計方案，對比分析各方案設計優(yōu)勢和使用面積變化情況，經(jīng)對比后合理選擇結構優(yōu)化設計方案，滿足業(yè)主、居民要求，提高業(yè)主項目建設收益和居民居住舒適性。3建筑結構優(yōu)化設計內(nèi)容分析3.1廚房框架梁設計優(yōu)化。原結構設計中，廚房、煙井處為框架梁，露出高度為200mm，在廚房結構形成凸角（如圖1所示），給居民安裝抽油煙機和櫥柜造成一定的困難。影響居民裝飾裝修效果。針對該問題，工程總承包單位提出了優(yōu)化方案：（a）增設剪力墻。通過延長該部位隔墻（如圖2所示），使其成為剪力墻結構，將框架梁設置外墻部位，在保障建筑結構抗震性能的前提下，改善框架梁露梁問題。（b）框架梁微調(diào)。在不調(diào)整框架梁的前提下，將煙道由左下角轉移至左上角，框架梁下移200mm，按梁墻一體設計，使廚房梁、墻平齊（如圖3所示），無露梁問題，并解決了改善露梁問題對抽油煙機安裝的影響。同時，去掉廚房與玄關處隔墻，使之成為開放型廚房，減少隔墻占用使用面積，增強室內(nèi)各功能分區(qū)的通暢性。調(diào)整廚房隔墻后，為進一步優(yōu)化廚房布局，調(diào)整廚房與陽臺之間剪力墻位置，將陽臺橫向長度由2000mm調(diào)整為1500mm，增加廚房使用空間500mm（寬度），增加廚房使用面積0.2m2，整棟建筑增加室內(nèi)面積9.6m2。經(jīng)調(diào)整后，廚房、陽臺、玄關等方正無凸角。綜合上述兩個方案，方案a方案中剪力墻在首層無法落地，需在首層增設剪力墻，影響原首層入戶門廳結構和樁基基礎結構，導致建筑造價上升，經(jīng)測算，每棟建筑增加工程造價約2.5萬元。同時，由于原隔墻變?yōu)榧袅Y構，導致居民后期裝修裝飾施工受限；方案b中結構梁不需調(diào)整，通過框架梁偏位調(diào)整，解決了框架梁露梁問題，且增加了室內(nèi)使用面積，室內(nèi)布局更為合理。經(jīng)各方討論研究，采用方案b作為實施方案。3.2衛(wèi)生間框架梁設計優(yōu)化。原設計中，衛(wèi)生間與廚房之間部位存在框架主梁（如圖4所示），框架梁向衛(wèi)生間內(nèi)凸出形成凸角，馬桶位于凸角下，影響居民空間使用。為改善該問題，工程總承包單位提出結構優(yōu)化方案：由剪力墻取代框架梁和平面布局優(yōu)化方案。（a）剪力墻取代框架梁。通過以剪力墻結構取代框架梁（如圖5所示），改善框架梁露梁問題，衛(wèi)生間及廚房平面布置不變，但需要增加隔墻厚度并相應調(diào)整結構體系。（b）平面布置優(yōu)化。在結構體系不變的情況下，將衛(wèi)生間隔墻與臥室隔墻對齊，廚房空間增加后增加儲物功能。衛(wèi)生間去掉采光窗（如圖6所示），優(yōu)化衛(wèi)具布局，調(diào)換面盆及馬桶位置，在滿足衛(wèi)生間器具功能使用要求的前提下，最大限度提高平面布局合理性。在衛(wèi)生間框架梁設計優(yōu)化中，方案a結構體系變化造成混凝土、配筋用量增加，需同步調(diào)整樁基結構，調(diào)整幅度較大。同時，由于剪力墻結構體系變化造成隔墻厚度增加，壓縮了室內(nèi)過道空間，導致室內(nèi)使用空間減少；方案b中，原財股窗面狹小，尤其是在安裝完窗框后采光面積難以滿足采光量補充的作用，故可取消。將框架梁和隔墻位置調(diào)整后，框架梁凸角部位向廚房內(nèi)凸出，梁下空間作為廚房儲物空間，拓展了廚房功能空間，且衛(wèi)生間面積滿足最小2.5m2使用面積要求，符合結構優(yōu)化設計要求，故該位置采用方案b。3.3框架柱調(diào)整優(yōu)化。本工程商業(yè)建筑中，框架剪力墻角柱、邊柱向內(nèi)形成凸角，影響商業(yè)建筑平面布置和通行安全，業(yè)主提出結構優(yōu)化要求。經(jīng)與業(yè)主溝通，在結構體系保持不變的情況下，保持一定截面的框架剪力墻角柱、邊柱有利于結構安全和結構經(jīng)濟性，過度減小柱截面將導致工程成本大幅增加，并影響建筑結構抗震性能，因此，在原結構設計上以適當縮小邊柱、角柱凸出部位截面面積為主,通過增加型鋼、提高混凝土強度和改變柱截面尺寸實現(xiàn)框架柱結構優(yōu)化，即不改變原結構體系前提下，仍采用框架剪力墻柱結構，保證框架二道防線作用，保證合理框架傾覆力矩占比，以滿足建筑結構安全和抗震性能實現(xiàn)要求。（a）以型鋼柱取代框架柱。將原框架柱變更為型鋼柱，在保障結構抗震性能和承載力的基礎上，最大限度減小凸出柱體體積。（b）提高混凝土強度。在保留合理柱截面尺寸和柱剛度的情況下，通過提高框架柱混凝土強度和配筋，混凝土強度由C30提高為C40，配筋由1.0調(diào)整為1.2，可滿足原結構設計抗剪力和承載力性能要求。方案a中，型鋼柱施工難度較大，且工程造價較高，施工質(zhì)量控制難度較大3，經(jīng)測算，如將邊柱和角柱全部更換為型鋼柱，則單位造價增加2.64元/m2，不利于建筑工程造價控制，施工進度難以保障。采用方案b時，需對混凝土強度進行試配，并適當調(diào)整配筋密度，工程造價增加約0.2元/m2，遠小于方案a，且對施工進度影響較小，故采用方案b作為結構優(yōu)化方案。4結語本工程中，經(jīng)業(yè)主、專家組審批同意，設計單位對原設計方案進行整體調(diào)整。經(jīng)測算分析，優(yōu)化設計后，建筑抗震性能符合工程設計目標，工程造價整體變化幅度較小，使用面積保持不變或增加，未出現(xiàn)擠占室內(nèi)面積的現(xiàn)象。結構布局更為合理，室內(nèi)空間得到充分利用，滿足業(yè)主對建筑結構優(yōu)化預期目標要求。參考文獻1溫大航.廉租房廚衛(wèi)的無障礙空間優(yōu)化設計研究D.泉州：華僑大學,2014.2周旭東.重慶市公租房規(guī)劃及建筑設計研究D.重慶：重慶大學,2011.3賀曉燕.住宅廚衛(wèi)空間人性化設計研究D.西安：西安建筑科技大學,2009.