談高層住宅混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計
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摘要：文章簡單介紹了高層住宅結(jié)構(gòu)形式，通過對高層住宅結(jié)構(gòu)設計的要求進行分析，探討高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的有效應用，以改善傳統(tǒng)的高層住宅結(jié)構(gòu)設計模式，促進高層住宅結(jié)構(gòu)設計水平的提升，保障高層住宅建筑設計質(zhì)量，為人們提供更為舒適和安全的住宅環(huán)境，從而推動高層住宅建筑工程的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：高層建筑；住宅結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計；有效應用
隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑工程行業(yè)也取得了顯著的成效，各類建筑數(shù)量逐漸增多，規(guī)模不斷擴大，尤其是隨著城市化進程加深，各類高層住宅更是大量出現(xiàn)。為保障高層住宅建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量，應當采用現(xiàn)代化設計水平，基于人們的生活需求來進行科學設計。高層住宅結(jié)構(gòu)的設計并不是一項簡單的工作，其涉及多方面內(nèi)容，需要進行系統(tǒng)化把控，以提高結(jié)構(gòu)設計水平，滿足安全、經(jīng)濟、適用、合理的原則。
1高層住宅結(jié)構(gòu)形式
高層住宅結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式：（1）框架結(jié)構(gòu)形式。這一種結(jié)構(gòu)，在空間布局上十分靈活，建筑內(nèi)部空間比較大，底層空間的實用性比較強，而且在設計上操作較為便捷。但這種結(jié)構(gòu)形式的不足之處在于框架柱的截面面積比較大，而且在柱位置會突出墻體，會影響高層住宅戶型的實際實用面積，不利于提高高層住宅空間利用率，同時會影響住戶的家具布置，降低住戶的使用感受。（2）異形柱框架結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)設計與框架結(jié)構(gòu)比較類似，異形柱的寬度和墻體的厚度保持一致，能夠有效布置室內(nèi)的空間布局，但其缺點在于其抗震性較差，適用高度低，不適用于高層住宅。（3）框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式。這一種結(jié)構(gòu)多適用于高層住宅中，其豎向荷載主要由框架柱承擔，因此能夠隨建筑功能要求靈活布置，便于實現(xiàn)大空間、大柱跨的建筑要求；水平荷載荷載主要由剪力墻承擔，同時剪力墻也承擔一部分豎向荷載。通常在一些商業(yè)住宅，或是有商業(yè)空間要求的建筑中使用較好，其缺點在于框架柱截面較大，對住宅建筑的使用有較大的影響。（4）剪力墻結(jié)構(gòu)形式。這一結(jié)構(gòu)主要是根據(jù)建筑的平面布置，來合理布置鋼筋混凝土剪力墻，由于其不存在外露柱子，能夠提高室內(nèi)空間的利用率，而且也較易滿足住宅建筑的平面使用要求，但其不足之處在于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度較大，對地震的反應比較強烈，而且剪力墻體自身較重，若是在設計上存在不合理之處，將會導致材料使用量的較大增加。（5）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)形式。這一結(jié)構(gòu)屬于剪力墻的一種，在布置上較為靈活，與剪力墻結(jié)構(gòu)的功能性差不多，但是其適用范圍有限，只有在非地震區(qū)，或是地震烈度不高的地區(qū)，才會有更好的經(jīng)濟性[1]。
2高層住宅結(jié)構(gòu)設計的要求
2.1提高穩(wěn)固性，保障安全性
在進行高層住宅結(jié)構(gòu)設計的時候，一定要保障其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如此才能為高層住宅建筑工程質(zhì)量提供重要保障。結(jié)構(gòu)作為骨干基礎，其肩負著整個建筑物的安全性，直接關(guān)系著居民的生命財產(chǎn)安全。因此，在設計高層住宅結(jié)構(gòu)時，必須全方位地進行系統(tǒng)化考慮，每一個細節(jié)、每一個構(gòu)件都要有嚴加把控，精確每一個設計參數(shù)，需要處理好構(gòu)件和構(gòu)件之間的聯(lián)系，以此來維護高層住宅結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其安全系數(shù)達到規(guī)定規(guī)范要求。
2.2提升舒適性，發(fā)揮功能性
高層住宅建筑的作用在于滿足人們的日常生活需求，為人們提供一個舒適的居住空間。在建設高層住宅結(jié)構(gòu)的時候，需要突出其功能性，根據(jù)人們的實際需求來進行科學設計，所規(guī)劃的設計方案不可脫離實用性。應當基于高層住宅建筑的實用功能，來科學布局其內(nèi)部空間，規(guī)劃設計平面布置，并且實施高質(zhì)量的外立面設計方案，以此來提高高層住宅建筑的美觀性，與此同時又體現(xiàn)出其良好的居住功能，增強人們的居住體驗感，使人們感到舒適和安心[2]。
2.3經(jīng)濟性
在設計高層住宅結(jié)構(gòu)時，還需要考慮到其經(jīng)濟性，這一因素十分重要。規(guī)劃的高層住宅結(jié)構(gòu)設計方案，需要以保障高層住宅建筑質(zhì)量為前提，選擇最具有經(jīng)濟性的設計方案。要根據(jù)高層住宅結(jié)構(gòu)的設計需求，使用合適的施工材料，科學應用施工設備，優(yōu)化高層住宅建筑施工的各項資源配置，提高資源利用率，在不影響整體施工質(zhì)量的基礎上，減少施工成本，加強對高層住宅建筑施工資金投入的管理，有效利用投入資金，避免資金的浪費。優(yōu)化高層住宅結(jié)構(gòu)設計，盡量減少稀缺材料的應用，提高建筑施工效率，使其能夠在規(guī)定工期內(nèi)完工。
3高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的有效應用
3.1高層住宅結(jié)構(gòu)的基礎設計
以某高層住宅為例，其屬于小高層，共有15層，使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，抗震烈度要為7度，屬于丙類抗震設防類別，在商業(yè)樓層有局部錯層。本項目沒有設置地下室，根據(jù)地勘報告的情況，本場地淺層地表填土較深，須采用樁基礎形式。一般情況下樁基礎埋深的數(shù)值，應當是建筑物高度的1/18。本工程的住宅高度為41m，基礎埋深應當為2.27m左右。在設計樁基礎的時候，根據(jù)相應的土層參數(shù)，選擇經(jīng)濟性更好的樁型，但前提是要保障樁混凝土總量相差不大。應將樁盡量設置于剪力墻的下部，以在穩(wěn)固地基梁的同時，減少鋼筋材料的使用量。
3.2高層住宅結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)設計
在進行高層住宅結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)設計的時候，先要根據(jù)實際需求來選擇結(jié)構(gòu)類型。小高層建筑局部中有兩層屬于商業(yè)用房，需要根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求來進行參數(shù)設計，控制好現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距，其間距可設置為45m，通過抗震縫來將上部結(jié)構(gòu)細分為兩個部分。在設計的過程中，一切要從實際出發(fā)，所設計的參數(shù)，或是選擇的類型，都要符合小高層的實際建設需求，從多個方面來進行細致的考慮。比如，要突出小高層建筑的平面實用性，由于其對商業(yè)部位的空間大小并無過多的要求，在設計的時候可選擇剪力墻為上部結(jié)構(gòu)，商業(yè)部位的錯層結(jié)構(gòu)選擇普通剪力墻結(jié)構(gòu)即可。設計剪力墻結(jié)構(gòu)的時候，需要考慮到抗震需求，根據(jù)規(guī)范的要求來確定剪力墻的配筋數(shù)量。若應用的是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，則需要在短肢剪力墻的端部設置合適的約束邊緣構(gòu)件，提高剪力墻的抗震等級，另一方面要計算出合適的鋼筋配筋率以及配箍率[3]。在確定高層住宅上部結(jié)構(gòu)類型之后，便要進行有效的結(jié)構(gòu)設計，計算出其中的各項參數(shù)值。高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設計，需要先了解高層建筑的整體平面布局，在設計其平面的時候，應當盡量保持布局的平衡性和均勻性，可采用對稱設計方法，避免出現(xiàn)過多的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)因素。高層住宅建筑的縱向布置應當具有連續(xù)性，要控制好建筑結(jié)構(gòu)的剛度，避免其突然發(fā)生變化而影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在這一工程中，影響結(jié)構(gòu)設計的因素主要有三方面：一是存在商業(yè)錯層，錯層會使結(jié)構(gòu)的質(zhì)心鋼心有所偏移，存在扭轉(zhuǎn)影響；二是在端部開窗，會形成一字墻，并且在這個高層住宅建筑中，一字墻的數(shù)量還并不少；三是在平面布置的時候，存在凹口，若是不控制好凹進去部分的尺寸，那么則會導致平面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不規(guī)則性，抗震能力會減弱。基于以上問題，在進行結(jié)構(gòu)設計的時候應當做到以下幾點：（1）設計剪力墻的時候，需要將其長寬比控制在8以上，可選擇T型或是L形的墻體，盡量不選擇單方向墻體，應當維持剪力墻的均勻受力。剪力墻的厚度可控制在200mm，錯層處的剪力墻厚度可為250mm；（2）在平面布置的凹口處，可進行拉梁和拉板處理，以解決平面不規(guī)則問題；（3）可于錯層處加厚樓板，并且在配筋的時候要做到雙層雙向；（4）加厚轉(zhuǎn)角處的樓板，角部開洞處則要加強配筋。在計算結(jié)構(gòu)位移的時候，需要考慮底層參數(shù)情況，還要控制好結(jié)構(gòu)的剛重比和偏心率，并且可通過科學的計算來預估結(jié)構(gòu)設計的周期。在此工程中，如果所使用的剪力墻高度和厚度的比例大于8，或是在5~8之間，那么則應當按照剪力墻的施工規(guī)范來進行設計和配筋，如果所使用的剪力墻高度和厚度的比例小于3，那么剪力墻在配筋的時候需按柱配筋，若是在3~4之間那么則要按照異形柱的配筋方式來進行設計。在剪力墻結(jié)構(gòu)設計過程中，存在連梁配筋計算不準確，難以滿足實際要求的狀況，這是因為剪力墻中的連梁跨高比較小，地震作用下剪力一般會較大。在設計的時候，需要根據(jù)實際情況來確定連梁的最終截面高度，通常情況下，其高度保持在洞口頂部之下，樓層面之上，可將砌體材料砌筑于窗臺下部。如果是凸窗，則需要加設一根梁，梁與梁之間要做好砌筑工作，實施對稱配筋。若是在設計過程中，連梁的高度超過了700mm，那么所使用的腰筋直徑應當在10mm以上，之間的間距不可超過200mm。
3.3控制結(jié)構(gòu)超限問題
在設計高層住宅結(jié)構(gòu)的時候，要重視概念設計，根據(jù)實際需求以及建筑物的功能要求，來選擇合適的結(jié)構(gòu)類型，按照規(guī)范要求來布置抗震構(gòu)件，明確結(jié)構(gòu)設計中的關(guān)鍵部位，把握其設計重難點，全面了解構(gòu)造要求。在設計時，要注重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，要在保障住宅結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，選擇經(jīng)濟效益較高的設計方案，并且還要確保所設計的結(jié)構(gòu)建設方案符合實際要求，具有可行性。若是存在結(jié)構(gòu)超限問題，將會影響整個工程質(zhì)量，降低工程的經(jīng)濟性，因此在設計的時候要加強對超限項的控制，實施科學的設計措施來提高其經(jīng)濟效益。
4結(jié)語
在進行高層住宅結(jié)構(gòu)設計的時候，應當從多方面來進行綜合性考慮，不僅要突出高層住宅建筑的功能性，提高其實用性，為人們提供舒適而安全的居住空間，合理而靈活地布局空間，還要考慮到結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性，需在不影響高層住宅結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，盡量選擇經(jīng)濟性較高的結(jié)構(gòu)設計方案，以此來提高高層住宅結(jié)構(gòu)設計效益。要加強對高層住宅結(jié)構(gòu)設計的把控，根據(jù)實際情況來設計圖紙，確保其具有足夠的可行性。
參考文獻
[1]呂嘯斐.高層住宅結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化策略解析[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2017（15）：91.
[2]宋郁茹.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（15）：202.
[3]莫銳.淺談高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計標準[J].中國標準化，2016（18）：130-131.
作者：康庭豪 王青琴 張浩 單位：中機國際工程設計研究院有限責任公司