第 3 期伊永忠, 等 : 高层剪力墙住宅结构成本优化措施及应用 291 绍了采用有限元迭代方法对结构成本优化设计思路 [2] ; 陆海燕等介绍了结构基础设计优化方法 [3] ; 王巍等针对某一特定剪力墙住宅进行了结构优化设计分析研究 [4] ; 王传甲对高层框架剪力墙结构进行了抗震性能优化设计 [

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1 第 32 卷第 3 期 2017 年 6 月山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Vol.32 No.3 Jun 文章编号 : (2017) 高层剪力墙住宅结构成本优化措施及应用伊永忠, 魏伟 ( 淄博市建筑设计研究院, 山东淄博 ) 摘要 : 在确保结构安全的前提下, 将有限资源配置到关键部位, 做好结构成本优化, 具有十分重要的意义文章基于大量高层剪力墙结构住宅楼设计经验, 提出了高层剪力墙住宅结构设计时成本优化的原则, 围绕成本优化中结构方案结构计算分析结构构造配筋等对结构成本有重要影响的因素, 建立了高层剪力墙住宅结构成本的优化措施以山东省淄博市高层剪力墙结构住宅为例, 分析了剪力墙结构成本的优化过程, 并将优化前后的结构成本进行分析比较表明, 通过结构优化设计, 在确保高层剪力墙住宅结构安全的前提下, 更充分发挥了建筑材料力学性能, 有效降低了结构成本, 以减少建筑材料的浪费, 做到物尽其用关键词 : 高层剪力墙住宅 ; 成本控制 ; 结构布置中图分类号 :TU318 文献标识码 :A Costoptimizationofmeasuresandapplicationofhigh rise residentialbuildingwithshearwalstructure YiYongzhong,WeiWei (ZiboArchitectureDesignandResearchInstitute,Zibo255037,China) Abstract:Underthepremiseofthestructuresecurity,ithasgreatsignificancetoalocatelimited resourcestocriticalpartsandreducethestructuralcost.basedonthedesignexperienceofalarge numberoftalresidentialbuildingswithshearwalstructures,thepaperexpoundstheprincipleof structuralcostoptimizationinthedesignofsuchbuildings,andanalyzesthefactorsafectingstructural costcontrol, such as structure arangement, structural calculation analysis, and structural reinforcement,andsetsuptheoptimizationmeasuresforthestructuralcostofthehigh riseshearing forcewal.takinganexampleofatalresidentialbuildingwithshearwalstructureinzibocityof Shandongprovince,thepaperelaboratesoptimizationroutineofthecostoftheshearwalstructure. Thecomparativeanalysisofthecostofthestructurebeforeandafteroptimizationshowsthatunderthe premiseofthesafetyofthetalresidentialbuildingwithshearwalstructure,makingfuluseofthe mechanicalpropertiesofbuildingmaterials,thestructuralcostisefectivelyreducedthroughthe structuraloptimizationdesigntoreducethewasteofbuildingmaterialsanddotheirbest. Keywords:talresidentialbuildingswithshearwalstructures;costcontrol;structuralarangement 0 引言剪力墙结构设计房间布置灵活, 建筑物朝向通透性等容易满足需求, 广泛受到房地产开发商以及购房业主的青睐高层剪力墙结构住宅将成为住宅建设的主流目前, 国内已有较多结构成本优化设计的理论研究和工程实践冯中伟等重点从优化剪力墙布置等角度对剪力墙结构优化做出阐述 [1] ; 马臣杰等介收稿日期 : 作者简介 : 伊永忠 (1975-), 男, 高级工程师, 学士, 主要从事结构设计及施工图审查等方面的工作.E mail: @qq.com

2 第 3 期伊永忠, 等 : 高层剪力墙住宅结构成本优化措施及应用 291 绍了采用有限元迭代方法对结构成本优化设计思路 [2] ; 陆海燕等介绍了结构基础设计优化方法 [3] ; 王巍等针对某一特定剪力墙住宅进行了结构优化设计分析研究 [4] ; 王传甲对高层框架剪力墙结构进行了抗震性能优化设计 [5] 对建筑结构设计优化的研究也有较多文献 [6-9], 但对高层剪力墙住宅进行专项结构成本控制研究的资料依然缺少文章通过对大量高层剪力墙住宅设计进行分类整理, 针对高层剪力墙结构成本控制设计进行了分析研究, 重点对结构布置方案进行概念性合理优化, 并注重结构计算分析结构构造配筋等设计细节, 以实现高层剪力墙住宅结构的精细化设计, 有效控制结构成本 1 剪力墙结构成本优化措施 1.1 优化原则结构方案合理只有合理的结构设计方案, 才能在保证结构安全的前提下降低成本, 对于高层剪力墙住宅结构, 剪力墙整体布置的合理性是结构方案合理的基础, 因此应特别注意剪力墙整体布置的合理性 JGJ 高层建筑混凝土结构设计规程 [10] 规定了剪力墙结构的布置原则 : 平面布置宜简单规则, 宜沿两个主轴方向双向布置,2 个方向的抗侧刚度不宜相差过大高层剪力墙结构方案应有适宜刚度, 刚度过大会导致结构地震力整体偏大, 而刚度过小会导致地震时建筑物产生过大位移, 从而抗倒塌能力不足根据对大量高层剪力墙住宅结构方案的分析及归类, 剪力墙住宅结构最大层间位移角宜控制在 1/1000~1/ 充分发挥建筑材料性能建筑材料的浪费是建筑成本升高的主要原因为了达到经济合理的设计目标, 要充分发挥材料的力学性能结构计算时要对结构体系及构件进行准确的受力分析, 不要随意简化, 避免结构构件计算不准确导致结构设计不安全或材料浪费对结构构件进行配筋时, 应避免钢筋排布不合理而产生对结构受力没有作用的钢筋, 同时尽量减少剪力墙小墙肢和短肢墙等用钢量偏高, 但对抗震性能贡献不大的结构构件 1.2 优化措施优化结构方案 (1) 剪力墙布置优化以抗震烈度 7 度区为例, 在高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中, 剪力墙墙身的用钢量约占总用钢量的 40% ~60%, 边缘构件的用钢量约占总用钢量的 30% ~50%, 所以剪力墙的结构布置成为控制结构成本的控制性因素结构布置时, 剪力墙的数量不宜过多, 并应尽量减少边缘构件的数量具体措施如下 : 1 剪力墙数量宜少不宜多, 以结构达到最优刚度为原则结构整体侧移刚度要适中, 楼层层间位移与层高的比值接近 1/1000 时, 结构刚度为最优剪力墙太多不仅加大地震力, 而且使结构重量加大, 施工工程量相应加大 [11] 在方案设计阶段, 剪力墙数量可按照底层面积的 5% ~6% 进行控制剪力墙布置时宜尽量采用大开间布置方式, 剪力墙的间距宜控制在 6~8m, 以充分利用剪力墙的材料强度统计资料表明, 与小开间布置相比, 大开间布置剪力墙可使单位建筑面积的混凝土用量减少 20% ~30%, 钢筋用量减少 10% 左右 2 强周边, 弱中部, 增强结构的抗扭刚度剪力墙尽量布置在结构的周边外围, 以增加结构抗扭刚度, 必要时可利用窗台增加剪力墙连梁的高度结构中部尽量减少剪力墙布置, 以减小结构的平动刚度平动刚度的减小有利于控制结构的周期比位移比, 使结构能在不增加剪力墙的前提下满足规范要求的各项控制指标 3 均匀性原则剪力墙沿整个结构平面布置宜均匀, 墙段长度不宜相差过大 [12], 不宜布置长度大于 8m 的过长墙段, 也不宜布置较多的小墙肢和短肢墙应控制各墙肢的轴压比, 在竖向荷载作用下, 各剪力墙墙肢的轴压比宜接近并尽量靠近相应各抗震等级规范规定的轴压比限制避免墙肢轴压比过小, 不能充分发挥材料性能, 造成浪费 ; 同时也避免因剪力墙构件竖向变形不均匀, 导致梁构件出现塑性变形, 影响结构安全 [13] 4 墙肢形状宜简单规则, 宜通过连梁或框架梁连成整体抗侧力结构剪力墙布置时墙肢截面尽量选用 L 型 T 型十型等简单规则的形状, 避免出现复杂和多向转折的截面, 并同时应尽量减少剪力墙边缘构件的数量结构两个方向的墙肢宜通过连梁或框架梁连成整体, 形成整体的抗侧力结构, 从而在不增加剪力墙数

3 292 山东建筑大学学报 2017 年量的前提下, 增加结构的整体抗侧刚度, 取得剪力墙少但整体抗侧刚度强的最优布置方案 5 剪力墙布置沿竖向均匀变化, 避免刚度突变为避免刚度突变, 不宜采用底部剪力墙数量多, 而上部剪力墙逐渐减少的布置形式剪力墙厚度沿高度方向宜均匀渐变, 剪力墙的厚度取值除满足规范规定外, 可按照墙体厚度不小于 0.9N(N 为计算截面以上的层数 ) 进行估算截面厚度不宜过大, 以尽量减轻结构自重 (2) 梁板布置优化在高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中, 梁和楼板的用钢量约占总用钢量的 35% ~55%, 所以梁板布置对结构含钢量的影响也不容忽视 1 梁布置剪力墙结构中梁的跨度一般较小, 约 3~5m 左右, 不宜设置高度较大连梁由于住宅户型的要求, 会出现长度较小的隔墙及墙垛, 这些部位下部可不设置梁而改为设置楼板加强筋, 以节省钢筋及混凝土用量过多布置混凝土梁, 会使板跨很小, 不能充分发挥楼板的材料性能 2 板布置楼板除客厅位置外一般跨度较小, 且活荷载不大为减轻结构自重, 在满足扰度裂缝以及楼板内设置设备管线所需厚度的前提下, 楼板厚度宜尽量取薄板厚增加 2cm, 结构自重将增加 3% 左右, 导致整体结构地震作用增大, 结构配筋量相应增大合理的计算分析 (1) 嵌固端位置的合理选取计算嵌固端的位置很重要, 一般情况下, 应尽量将上部结构的嵌固部位选择在地下室顶板, 此时结构的加强部位明确, 地下室结构的加强范围高度小, 结构经济性好当主楼周边有地下车库, 车库顶板与地下室顶板存在高差时, 宜采取构造措施, 保证水平地震力的可靠传递 (2) 连梁刚度折减系数的合理取值 GB 建筑抗震设计规范 [14] 的条文解释中明确提出, 计算地震内力时, 抗震墙连梁刚度可折减 ; 计算位移时, 连梁刚度可不折减所以在计算位移及位移比时, 连梁刚度折减系数应取 1, 在计算地震内力时, 连梁刚度折减系数取值应不小于 0.5 许多设计人员往往统一按照 0.6 取值, 导致结构位移计算值偏大 (3) 周期折减系数取值结构计算模型未考虑非结构构件的刚度贡献, 通过经验系数对计算周期进行折减, 适当增大结构抵御地震作用的能力是有必要的, 应根据填充墙材料及所占的比例来确定周期折减系数, 对高层剪力墙结构而言, 一般取 0.9~1.0 (4) 风荷载地面粗糙度类别取值地面粗糙度类别直接影响风压高度变化系数, 从而影响风荷载标准值的计算, 粗糙度类别的判定可参考 GB 建筑结构荷载规范 [15] 的条文解释, 周围 2km 迎风半圆影响范围以内建筑物高度在 6 层以上时, 可取为 D 类以 60m 高的高层住宅为例,B 类地面粗糙度位置计算得出的风荷载标准值是 D 类位置的 2.2 倍可见地面粗糙度对结构的影响是不容忽视的优化结构构造配筋 (1) 剪力墙构造配筋通过合理的剪力墙布置及墙肢长度取值, 控制各墙肢轴压比, 使剪力墙的配筋大多为构造配筋, 其节点区主筋箍筋以及墙段水平分布筋的配筋均按规范的最小配筋率配置当组合墙肢, 计算配筋量较大时, 可采用 PKPM 结构软件中组合墙配筋计算程序进行补充设计, 考虑翼缘的有利作用, 为剪力墙提供更为合理的配筋一般情况下能节省大约 15% ~40% 的钢筋用量, 而且使得钢筋在墙体中的布置效率更高 [16] 当为控制墙肢长度, 墙肢端部离建筑洞口边缘距离较小时, 剪力墙墙肢边缘宜加长至洞口边缘, 虽然加长了墙肢, 但避免了设置墙肢与填充墙拉结筋, 同时取消了洞口两侧的填充墙, 减小了施工难度, 降低造价对较短墙肢配筋时宜全截面按照边缘构件设计, 取消水平及竖向墙体分布筋 (2) 梁构造配筋对剪力墙平面外有梁连接时, 梁跨度截面高度不宜过大, 当梁端改为铰接后, 结构整体刚度, 位移比等指标均满足规范要求时, 宜设置梁端铰接, 避免在此处设置较大的暗柱, 增加墙体配筋, 同时注意梁端纵筋的锚固要求应同计算假定相对应由于在高层剪力墙结构中连梁框架梁的内力及配筋随高度变化较大, 应适当选择归并层数, 归并时注意梁配筋的变化, 达到节约钢材的目的对于剪力墙结构, 框架梁的跨度一般都比较小, 宜利用梁顶的角部部分钢筋全跨通长设置, 不再另设架立筋, 减少钢筋搭接和施工难度对于同一轴线上相邻两跨梁的共用剪力墙支座, 当作为支座的剪力墙墙肢顺梁方向长度小于两侧梁顶部纵筋的锚

4 第３期伊永忠等高层剪力墙住宅结构成本优化措施及应用固长度之和时梁顶纵筋直径宜相同并合并为一根连续梁设计９３结构成本优化建设单位对设计进行初步概算后要求对该工程结构方案进行成本优化在不降低结构安全储备高层剪力墙住宅结构成本优化应用分析的情况下实现对建材的合理利用提高结构的经济性工程为剪力墙结构墙肢用钢量占总用钢量的比例最大因此重点对剪力墙结构布置进行了优化设计１工程概况淄博市西城华府高层住宅总建筑面积７４８５ｍ１结构布置优化地下层地上１７层结构设计使用年限为５０年结将地面以上剪力墙墙厚由原００ｍｍ均改为构安全等级为级建筑的总高度为４９６０ｍ建筑１８０ｍｍ从而在墙肢边缘构件钢筋配筋率不变前提结构抗震设防烈度为７度设计基本地震加速度为下有效减小了配筋面积同时取消了不必要的墙０１０ｇ设计地震分组为第三组设计基本风压为肢并对墙肢长度进行优化优化后标准层结构平０４０ｋＮｍ风载体形系数取１４地面粗糙度类别面图如图１所示剪力墙主要变化有减少６轴线为Ｂ类交Ｄ轴线轴线交Ｄ轴线位置剪力墙布置并取主体结构采用剪力墙结构剪力墙抗震等级二消了８轴线交Ｂ轴线０轴线交Ｂ轴位置不必要的级工程设计初期结构标准层剪力墙平面布置图剪力墙布置在进行墙肢配筋图设计时不随意增如图１所示剪力墙墙厚为００ｍｍ加配筋量减少不必要的钢筋用量图１优化前后结构标准层平面比较图ｍｍ

5 294 山东建筑大学学报 2017 年结构计算优化为准确模拟结构力学性能, 对结构计算参数进行了细化对连梁刚度折减系数周期折减系数等计算参数进行了优化, 见表 1 表 1 优化前后结构计算参数对比计算参数优化前优化后周期折减系数地面粗糙度 B C 连梁刚度折减系数采用结构计算软件 PKPM 对两个结构方案进行建模, 对优化前后结构模型的动力特性位移变形等方面进行对比研究结构振型周期计算结果对比见表 2, 层间位移角计算结果对比如图 2 所示比值为 0.86 可以看出, 二者均符合规范要求高度不大于 150m 的剪力墙结构, 楼层层间最大位移与层高之比不宜大于 1/1000 [10] 从图 2 中可以看出, 优化前模型的最大层间位移角比规范要求的限制要小很多, 结构刚度较大, 没有充分的发挥结构的变形能力, 设计偏于保守优化后模型的计算结果与规范规定更接近, 结构变形能力有较大提高, 结构刚度更为合理结构刚度越大, 地震反应越大 [10], 从而导致上部结构中钢筋用量增大由此可知, 优化后模型在减少不必要的剪力墙结构构件后, 剪力墙的配筋率也会因地震反应的减小而降低, 从而有效减少了结构的钢筋用量钢筋用量结果分析经对工程钢筋用量进行统计, 工程优化前后钢筋用量见表 3 表 3 用钢量统计 /(kg m -2 ) 部位优化前优化后节省钢筋用量梁楼板剪力墙全楼从表 3 看出, 剪力墙中钢筋用量减少了 3.8kg/m 2 虽然梁配筋用量略有增大, 但单位面积总钢筋用量仍减少了 3.6kg/m 2 图 2 优化前后结构层间位移角对比图表 2 优化前后结构振型周期对比振型周期平动系数平动系数优化前优化后 ( 优化前 ) ( 优化后 ) 周期差值 /% 从表 2 看出, 优化后模型自振周期相对于优化前均要短, 可知经过优化后的模型比原结构更柔根据周期经验计算公式, 二者的自振周期均处于合理区间结构扭转为主的第 1 自振周期与结构平动为主的第 1 自振周期之比 ( 工程为第 3 周期与第 1 周期之比 ),A 级高度高层建筑不应大于 0.9 [10] 经计算可知, 优化前模型此比值为 0.87, 优化后此 3 结语高层剪力墙结构住宅成本控制, 能够大大减少建筑材料不合理浪费, 对提高建筑结构经济性的具有明显的意义高层剪力墙住宅结构的成本控制, 要以结构方案合理建筑材料力学性能充分发挥为原则, 重点要优化剪力墙布置剪力墙数量宜少不宜多, 大开间布置剪力墙可使单位建筑面积的混凝土用量减少 20% ~30%, 钢筋用量减少 10% 左右进行结构整体计算时, 要充分理解规范要求, 确保结构模型能够准确模拟建筑物结构布置, 避免因结构计算不准确导致结构不安全或造成不必要的材料浪费进行施工图设计时, 避免粗放式的施工图绘制习惯, 对结构进行合理配筋在确保高层剪力墙住宅结构安全的前提下, 有效降低结构成本, 提高经济效益 ( 下转第 306 页 )

第期孙义刚等砖混组合结构特征刚度系数对混凝土墙数量的影响柱圈梁箍紧砌体墙协同工作因此混凝土和砌筑砂浆强度等级是抗御地震力的第一道防线在地震力作用下结构进入弹塑性阶段后钢筋混凝土剪力墙和钢筋混凝土楼板发挥其主要作用承担着地震水平力的作用和传递作到裂而不倒是抗御地震的

第期孙义刚等砖混组合结构特征刚度系数对混凝土墙数量的影响柱圈梁箍紧砌体墙协同工作因此混凝土和砌筑砂浆强度等级是抗御地震力的第一道防线在地震力作用下结构进入弹塑性阶段后钢筋混凝土剪力墙和钢筋混凝土楼板发挥其主要作用承担着地震水平力的作用和传递作到裂而不倒是抗御地震的第卷第期重庆大学学报年月!" #"$%&"' % 文章编号 ()(- 砖混组合结构特征刚度系数对混凝土墙数量的影响孙义刚潘志宏邵阳学院城市建设系湖南邵阳 + 摘要根据砌体墙钢筋混凝土墙组合结构的受力特点提出了在地震作用下混凝土剪力墙合理数量的计算公式公式中混凝土墙数量的取值参数的主要影响因素为场地特征周期抗震设防烈度弹性层间位移角限值组合结构特征刚度系数非承重墙的自振周期折减系数等