沈淼
【摘要】房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是房屋建筑工程設(shè)計的重要組成部分,在所有的優(yōu)化設(shè)計中,結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間最大。合理的結(jié)構(gòu)布置、體系選型,正確的結(jié)構(gòu)計算、內(nèi)力分析、縝密的細部設(shè)計與構(gòu)造是結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計內(nèi)容。在確保建筑總體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求,保證結(jié)構(gòu)安全,符合工程質(zhì)量標準的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮材料的性能,合理節(jié)約工程造價,是擺在結(jié)構(gòu)設(shè)計師面前的現(xiàn)實課題。
【關(guān)鍵詞】房屋建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化技術(shù)
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.13.050
引言:
房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中主要包括確定結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)形式、主要材料、強度等級、構(gòu)件的截面尺寸等多項內(nèi)容,結(jié)構(gòu)設(shè)計對房屋建筑的可靠承載性、良好使用性、足夠耐久性、牢固抗震性、堅實穩(wěn)定性都有著至關(guān)重要的影響。因此,在房屋建設(shè)中,結(jié)構(gòu)設(shè)計對造價影響很大,在開展初步結(jié)構(gòu)設(shè)計之時,就需按照結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范以及工程實際情況找尋設(shè)計問題,并從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、質(zhì)量以及成本等角度綜合考慮,完成對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。
1、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的重要性
首先,房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用對于建筑結(jié)構(gòu)的安全有非常重要的意義。在房屋建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,平面布置、豎向布置、抗震性能設(shè)計,動力特性、變形特性、豎向剛度、水平位移等都是影響工程安全的主要參數(shù)。合理的優(yōu)化設(shè)計能提高建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,降低安全隱患。結(jié)構(gòu)優(yōu)化不能以犧牲建筑的安全性、抗震性、適用性來求得經(jīng)濟效益。為此,結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要恪守職責(zé),對優(yōu)化過程中不符合相關(guān)規(guī)定的行為,需要及時糾正,避免出現(xiàn)安全隱患。
2017年,北京發(fā)生了一起因優(yōu)化地庫產(chǎn)生的坍塌事故,建設(shè)單位將地庫結(jié)構(gòu)類型由原來的有梁樓蓋,改成無梁樓蓋,鋼筋含量指標由150-175kg/m2減為105-115kg/m2。優(yōu)化修改沒有充分考慮結(jié)構(gòu)的安全性能,只追求了降低成本,果不其然在項目施工中出現(xiàn)了地下室塌方的問題。此次事件說明,結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、結(jié)構(gòu)過度優(yōu)化,均容易造成較為嚴重的工程事故。所以,在建筑工程項目生命周期中,安全合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,才能提升房屋建筑工程質(zhì)量。
其次,從經(jīng)濟角度而言,結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用,是為了實現(xiàn)節(jié)約建筑工程的成本。結(jié)構(gòu)的總體形式、平面和豎向結(jié)構(gòu)的布置都關(guān)系到后續(xù)的材料用量,材料用量大則工程成本高、材料用量少則工程成本低。在實際的建筑工程設(shè)計中,不能以成本低為原則,而是以“低成本、高質(zhì)量”為原則。
應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù),能夠有效管控結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用,完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化,并利用電算技術(shù)比對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和設(shè)計成果,建成安全穩(wěn)定的“設(shè)計低成本、高質(zhì)量”的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)建筑節(jié)能。提升結(jié)構(gòu)參數(shù)指標,降低結(jié)構(gòu)總體成本,這是結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)發(fā)展的必然要求,也是信息時代發(fā)展的必然結(jié)果。
2、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵點
2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)實施準備工作
(1)需要做好資料收集,在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,了解建筑基本需求、建筑初期方案資料、建筑初期地勘資料以及初期圖紙資料等,通過對初期方案以及具體施工要求的深入領(lǐng)會,完成對建筑物的優(yōu)化設(shè)計,確保結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用更加合理,通過各項資料收集和匯總,確保后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化能夠符合工程需求,符合規(guī)范標準,提升建筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、適用的設(shè)計效果。(2)在準備過程中,應(yīng)該做好優(yōu)秀設(shè)計團隊的總結(jié)。建筑工程建設(shè),來源于人類智慧的結(jié)晶,每個設(shè)計人員對于整個團隊的優(yōu)化設(shè)計都有非常重要的影響。所以,在房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,應(yīng)該組建專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計團隊,選拔優(yōu)秀的設(shè)計人員。優(yōu)化設(shè)計人員必須具備一定年限的優(yōu)化工作經(jīng)驗,專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化素養(yǎng),良好的溝通能力,能夠保質(zhì)保量地完成各項優(yōu)化設(shè)計工作,累計優(yōu)化經(jīng)驗,提高優(yōu)化團隊的專業(yè)水平。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵點
(1)在方案階段,與建筑人員充分溝通,了解建筑的使用功能。對建筑的平面凹凸,及立面收進和凸出,以及伸縮縫的布置,建筑的高度,提出合理的建議和要求,盡量避免平面凹凸不規(guī)則,大開洞,控制建筑物的長寬比,高寬比,以及結(jié)構(gòu)過大的外挑和內(nèi)收,控制薄弱層、轉(zhuǎn)換層、躍層等不利因素,合理設(shè)縫,使側(cè)向剛度和水平承載力沿著高度均勻分布,避免剛度突變。
(2)在初步設(shè)計階段,根據(jù)建筑高度,合理選擇結(jié)構(gòu)體系,布置柱網(wǎng),盡量控制結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則、對稱,減少扭轉(zhuǎn)的影響。對結(jié)構(gòu)布置、基礎(chǔ)形式、建筑材料等內(nèi)容進行多方案經(jīng)濟技術(shù)比較,綜合考慮基坑開挖支護、模板、鋼筋、混凝土費用,施工難易程度,人工費、材料費、工期長短等因素,從中選出最優(yōu)的低成本、高質(zhì)量的設(shè)計方案。
(3)在電算階段,按建筑確定的功能,上部荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》以及實際情況取值,采用準確的參數(shù),合理調(diào)整薄弱部位的板厚,墻柱的截面,優(yōu)化好模型,使結(jié)構(gòu)得到初步優(yōu)化的計算結(jié)果。
(4)在施圖階段,按照電算結(jié)果,精細配置截面、鋼筋,在電梯前室,樓梯等薄弱部位及抗震要求嚴格的部位,進行結(jié)構(gòu)板的配筋加強。在保證結(jié)構(gòu)的強度和變形下,對不重要的部位,可以扣除多余的鋼筋。
(5)后期采用BIM模型等應(yīng)用,完成結(jié)構(gòu)立體化分析,通過參數(shù)模型整合各專業(yè)的相關(guān)信息,在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中,進行共享和傳遞,使工程技術(shù)人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對,為設(shè)計團隊以及包括建筑運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ),在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。
(6)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中,做好方案優(yōu)化前以及方案優(yōu)化后的技術(shù)對比,從成本、經(jīng)濟、穩(wěn)定性等角度完成方案的技術(shù)對比,實現(xiàn)方案的有效制定。
3、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)具體應(yīng)用—以中醫(yī)藥科創(chuàng)城154畝人才公寓項目建筑工程為例E25030CA-B760-4F99-B7D0-08DEC667473C
3.1工程案例分析
本工程為中醫(yī)藥科創(chuàng)城154畝人才公寓項目房屋建筑工程,該房屋建筑工程為高層和多層住宅,總計包括21棟高層住宅,5棟多層住宅,1棟養(yǎng)老中心,1層地下室停車場。本項目建筑總面積達到284789.44㎡,其中地上建筑面積為226493.41㎡、地下建筑面積為58829.47㎡。地上建筑單體最高建筑為27層,高度為78.45m,以20#樓棟為例。本工程建筑使用年限設(shè)計為50年、建筑抗震設(shè)防烈度為6度、建筑物的地震加速度設(shè)計為0.05g、設(shè)計修正風(fēng)壓值為0.45kN/㎡。結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為剪力墻結(jié)構(gòu)形式,場地類別設(shè)計為Ⅱ類場地。
3.2基本結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)初步設(shè)計過程中,完成對建筑結(jié)構(gòu)的布置和選型設(shè)計。所有建筑按照平面規(guī)則進行設(shè)計、地上27層建筑按照豎向規(guī)則進行設(shè)計;房屋總體高度設(shè)計中,地下建筑設(shè)計高度為3.9m、地上高度27層建筑設(shè)計為78.45m;在房屋建筑設(shè)計過程中,崁固層為地下室頂板,主樓剪力墻抗震等級為四級,局部框架抗震等級為三級,地下室相關(guān)范圍內(nèi)為四級,主樓為A級高度鋼筋混凝土高層建筑。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計中針對基礎(chǔ)進行布置,其中27層建筑基礎(chǔ)類型設(shè)計為樁基礎(chǔ)、樁長約為30m,持力層為中風(fēng)化巖層;地下室底板厚度設(shè)計為400mm;主樓內(nèi)地下室頂板厚度設(shè)計為180mm,主樓外地下室頂板厚度設(shè)計為250~300mm。
(3)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,要做好混凝土強度設(shè)計、鋼筋材料強度設(shè)計、剪力墻厚度設(shè)計、梁截面尺寸設(shè)計以及板厚設(shè)計等等抗震構(gòu)造設(shè)計內(nèi)容。
A混凝土強度設(shè)計過程中,墻體、柱結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)以及板結(jié)構(gòu)按照樓層高度進行不同的設(shè)計,其中墻柱混凝土強度:1-7層設(shè)計為C45、8-11層為C40,12層以上為C40。梁板混凝土強度:1層及以下為C35,2層以上為C30。
B針對鋼筋材料進行設(shè)計。進行鋼筋材料設(shè)計過程中,設(shè)計應(yīng)用HRB400、HPB235等鋼筋材料,確保鋼筋設(shè)計更加合理。
C在進行混凝土材料設(shè)計過程中,主要完成剪力墻厚度設(shè)計,剪力墻厚度影響建筑功能,故1層以上剪力墻厚度設(shè)計為200mm、地下室剪力墻設(shè)計為250~300mm。
D梁截面尺寸設(shè)計,在方案設(shè)計過程中,梁截面尺寸主要包括200X400、150X300、200X550、200X600。
E板厚度設(shè)計過程中,主要包括100mm、120mm、130mm、180mm。
3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)實施
3.3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案分析
在高層建筑設(shè)計過程中,剪力墻形式是高層建筑設(shè)計實施過程中的常見的形式,在其設(shè)計過程中應(yīng)該滿足建筑平面需求,同時也需要從施工方面出發(fā),考慮施工成本以及施工便利性等因素。在本工程進行設(shè)計過程中,設(shè)計了兩種剪力墻布置方案。其中方案二,剪力墻布置較少,布墻率低,布樁率低,結(jié)構(gòu)布置更加規(guī)則、豎向抗側(cè)力連續(xù),層剛度規(guī)則、樓層承載力均勻,結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理,施工更為方便。
3.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計計算技術(shù)應(yīng)用
在本工程進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算過程中,按照相應(yīng)的規(guī)范原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。其中主要按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)GB50011-2010、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008、《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》GB50223-2010 、《建筑工程抗浮技術(shù)標準》JGJ476-2019、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)GB50016-2014等規(guī)范進行計算分析。
(1)計算時參數(shù)優(yōu)化:風(fēng)荷載信息中地面粗糙度由B類改為C類,梁端內(nèi)力取值位置(0-1),由0(節(jié)點處)改為1(支座邊),活荷載按樓層數(shù)的折減系數(shù)來控制在設(shè)計時是否折減柱、墻活荷載。墻柱截面按規(guī)范限值的軸壓比控制。次梁點鉸接,梁板截面按配筋率,撓度變形、裂縫控制。
(2)在結(jié)構(gòu)進行計算過程中,為了提升計算的精準性,利用YJK-SATWE軟件進行計算。計算的結(jié)果需達到:質(zhì)量比小于1.5、最小剛度比大于1.0、樓層受剪承載力大于0.8、有效質(zhì)量系數(shù)大于90%、最小剪重比大于0.8、最大位移角小于1/1000,最大位移比和最大層間位移比小于1.4,剛重比大于1.4等等技術(shù)參數(shù),電算指標應(yīng)盡量接近參數(shù)限值,以便達到優(yōu)化目標。
(3)在施工圖配筋中,針對不同的部分,還應(yīng)區(qū)分其重要性再來配筋。η為構(gòu)件重要性系數(shù),關(guān)鍵構(gòu)件取1.05~1.15,一般豎向構(gòu)件取1.0,水平耗能構(gòu)件取0.7~0.9。
梁應(yīng)在滿足配筋率的條件下,盡量接近計算值配筋,可以采取兩種不同直徑的鋼筋來配。當梁兩端支座配筋相差較大時,采用減少鋼筋根數(shù)的辦法來分開配筋。當梁有兩排鋼筋時,第二排鋼筋可不深入支座。當梁一端與柱墻相連,另一端與其他梁相連時,與墻柱相連的一端按框架梁構(gòu)造加密,與其他梁相連的另一端箍筋則不需要加密,只按次梁構(gòu)造即可。對按構(gòu)造不需要腰筋,而計算又需要抗扭鋼筋的梁,可以將抗扭鋼筋放到縱筋中。
板配筋除了在薄弱部位加強外,中間樓層的雙向樓板可以采取塑性算法,并盡量采取分離式配筋。負筋的配筋長度按短跨的1/4。異形板按有限元法計算,角部另加放射筋或者轉(zhuǎn)折處加暗梁。板可以配置長、短鋼筋滿足計算配筋,長、短鋼筋間距應(yīng)保持一致。板鋼筋的間距不限于100mm、150mm、200mm。還應(yīng)設(shè)置多種間距,比如110~140mm,160~190mm等等。對于小跨度板,板底筋可以采用直徑為6的鋼筋,面筋采用直徑為8的鋼筋。
梁、板的混凝土標號,可以控制在C30,頂部幾層混凝土可以控制在C25。
墻柱的混凝土標號,應(yīng)根據(jù)抗震等級為四級,墻柱軸壓比不超過0.7來控制截面,由下往上逐步降低混凝土標號,達到節(jié)約混凝土用量的目標。除了底部加強區(qū),墻肢構(gòu)造邊緣構(gòu)件應(yīng)按照規(guī)范設(shè)置,豎向鋼筋配筋率按0.004Ac和4根12的鋼筋中的較大值來取。一般計算結(jié)果都是構(gòu)造配筋,當按計算配筋時,墻柱縱筋可采用大直徑鋼筋+小直徑鋼筋的形式,盡量貼近計算值。拉筋直徑可以取6mm,墻體的豎向鋼筋直徑不宜小于10mm,可以采用10@400+8@400的方式。
純地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計:地下室頂板通過主梁大板、單向板、十字梁、井字梁結(jié)構(gòu)方式比對,采取非消防車部位為主梁大板形式。地下車庫底板通過樁承臺+防水板、獨立基礎(chǔ)+防水板比對,采取獨立基礎(chǔ)+防水板形式。合理布置超長地下室,盡量減少溫度應(yīng)力帶來的不利影響,地下室底板、外側(cè)壁、頂板每隔30~40米設(shè)置一道收縮后澆帶,其中主樓和單層地下室之間設(shè)置沉降后澆帶。盡可能采用中低強度的C35微膨脹混凝土。分布鋼筋盡量采用小直徑、密間距的鋼筋。
3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)成果
本樓棟已經(jīng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后指標具體詳表1,本表中混凝土含量、鋼筋含量、模板含量都有所降低。經(jīng)測算,小區(qū)總工程成本優(yōu)化達到六百萬元,有效地解決了材料應(yīng)用較多、費用較高的問題,具有優(yōu)化成本的意義。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是優(yōu)化的重點,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)可靠、經(jīng)濟合理、使用安全的設(shè)計初衷。
結(jié)語:
綜上所述,中醫(yī)藥科創(chuàng)城154畝人才公寓項目建筑方案工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常成功,房屋建筑更加穩(wěn)定,建筑成本更低,是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)合理使用的成功案例。希望本文研究能夠為后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用有所幫助。E25030CA-B760-4F99-B7D0-08DEC667473C