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四川铁投城乡投资建设集团有限责任公司 - 《铁投城乡》

关于住宅建筑结构经济性控制的思考

2019-12-12     浏览(15)     (0)

该文总结了住宅建筑的设计要点,包括荷载、建筑高度、平面规则性和竖向规则性、构件设计等方面。文章指出,合理的设计可以控制成本,提高经济效益。


 

住宅建筑是目前集团生产经营的重点,而住宅建筑又有很多的共性,一旦科学全面的统一了标准,再配以严格的过程控制,很容易达到预期的效果。下面就我个人掌握的内容作一些归纳,不当之处请指正。

(一)荷载

对住宅建筑影响最大的荷载主要有地震作用和竖向荷载。

地震作用。在设计阶段,国家规范对地震作用的计算有明确的规定,但其中也有一些影响成本的关键参数仅要求了最低限值,设计过程中如果不加以控制将会造成较大浪费。比如,对结构刚度做了明确的要求,即要求结构不能太柔,在地震作用的影响下水平向的摆动不能太大,要求剪力墙结构的层间位移角不能大于1/1000。如果业主不作要求,设计人员布置出了模型,计算以后结果是层间位移角是1/1800,满足了国家规范的要求,安全性不存在问题,但是却存在巨大的浪费。地震作用不是一个定值,跟很多因素有关,其中最关键的就是跟整体刚度有关,即结构刚度越大吸引的地震力就越大。设计师应在试算结果出来后自行优化剪力墙长度、混凝土标号和布置方式,以达到层间位移角最大限度的逼近1/1000的目的。但有的项目,因建筑产品本身的原因,导致很难实现刚度最大限度逼近规范限制而其他指标又均满足规范的情况,这个时候设计师就应该及时跟业主设计管理人员沟通,权衡整体取最优。

竖向荷载,是在建筑全生命周期内竖向作用在结构上的恒载和活载的总称。其中恒载主要包括填充墙体、楼地面砖(地板)、天棚吊顶抹灰、建筑造型等。活荷载主要包括家具家电、人的活动。其中活荷载,国家规范有明确的要求。恒载,则是根据实际情况统计得出来的。比如,一片多孔砖外墙总共10㎡,墙上有窗5㎡,多孔砖和玻璃的容重差别很大,偷懒的做法是整片墙按10㎡的多孔砖荷载输入结构模型进行计算!且一个标准层就可能有30层!若不按实际输入门窗荷载,全按撞墙输入荷载,其浪费是巨大的;又如,很多填充墙厚度是可以做成100mm厚而非全部做成200mm厚,业主若是不提出要求,且在设计过程中不加强监督,后果将会非常严重。根据国家规范对地震作用计算的要求,竖向荷载越大,地震作用越大。即多输入的荷载不仅只增加这片墙下的荷载,还会增加整栋楼的地震作用,导致成本增加。从另外的角度看,材料的选择也应该是越轻越好。

最近10多年来房地产市场的大发展,使得各大设计企业积累的大量的住宅建筑设计经验。尽管荷载是成本控制的关键因素,控制要点也很多,业主单位还是可以通过提出要求和加强设计过程管理、监督、沟通来控制成本。

(二)方案

1.建筑高度

国家规范对不同结构形式、不同的建筑高度区段有不同的要求。建筑越高,要求越严格。比如,针对按7度抗震设防的剪力墙结构(普通住宅一般都是剪力墙结构),要求建筑高度80m以下其抗震等级为三级,建筑高度80m及以上抗震等级为二级。若是遇到方案设计阶段某建筑高度刚好是81m,最好调整到80m以内。

7度抗震设防区,剪力墙结构的抗震等级从二级变为三级,土建成本大概会增加3%左右,虽然不多,但最好还是不应增加这不必要的浪费。若是可能出现因为建筑高度原因需要抗震等级从二级变为一级、一级变为特一级,更有胜者从非高度超限变为高度超限需要提高地震作用等级及相关措施的情况,土建成本增加的浪费量就不可忽视了。

2.平面规则性

国家规范对高层建筑平面的规则性有严格的要求。简单的说,不规则的平面需要搭上一系列的代价来满足规范要求。

比如,高宽比过大的建筑(规范中高宽比未列入平面规则性的范畴,本文主观地扩大了平面规则性的范围,便于理解)。高宽比,建筑物的高度与建筑平面的宽度(非长度)的比值。这种情况在T2的高层建筑中较为常见。规范对7度抗震设防区的剪力墙结构要求是“不宜超过6”,即100m高的高层住宅建筑平面的宽度不宜小于16.67m!由于规范的要求是“不宜”超过,若是超了将会以增加成本左右代价。下面这个户型的建筑高度是79m,高宽比刚好是6。若是把这样的户型做到100m,高宽比接近7.7,结构设计中将付出很大的成本来提升该建筑的整体稳定性。

     抵抗地震作用刚度不宜太高,而也不能不足,规范规定了最小值。落实到平面布置上,应尽量做到X向和Y向剪力墙、连梁(抗侧力构件)尽量能够连通,上面这个户型这方面就做得比较好,两个方向上的剪力墙绝大部分可以布置在一条直线上,两个方向上均能实现单片剪力墙通过连梁形成整体抗侧刚度,而不是各自为政。如下图所示户型在Y方向除了山墙面上剪力墙可以连通外,其余各处均无可以形成整体抗侧力的条件。也将付出成本的代价!

另外国家规范中对于平面规则性还有扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续的判断和加强措施,都是在方案阶段应尽量避免的。

3.竖向规则性

国家规范对于因层高变化引起的竖向刚度突变,立面收进,有水平转换构件等立面不规则的情况做了明确规定。对于高层住宅来说,最常见的就是竖向刚度突变和有水平转换构件两种。

基于国际国内对地震作用的研究,认为高层建筑楼层越低层刚度应该越大,越往上刚度可以降低,如果可以实现,最好是均匀降低,不应有突变。关于这点有个最典型的例子,就是前些年在乡镇中经常出现的底框建筑,即底层是大开间的商铺,二三层住人,二三层的砖墙的刚度很大,底层为较大跨度的框架刚度弱,地震中经常出现底层柱子破坏,二三楼完好无损的坐下来的情况。国家规范中针对竖向刚度突变提出了明确的要求。

我们经常遇到高层住宅建筑需要在底层做架空层的情况,二层仍为普通住宅,二层的层高一般为3m,这种情况底层架空层的高度不宜太高,尽量避免竖向刚度突变太多;高层酒店和高层办公建筑,底层的大堂一般都要求两层通高,显得高端大气,这是建筑功能的需要,若是条件允许还是应该尽量减小大堂面积以及减小通高层高和上层层高的差距。因为刚度突变带来的成本增加也是不可忽视的。

另外再说说结构转换层的问题,经常出现在上部为高层住宅,下部为大空间的商业的情况。由于下部商业大空间的需要,上部住宅的竖向构件(剪力墙或柱)不能落地,否则会影响商业的使用,那么商业顶就应该要设置转换梁来抬不能落地的竖向构件,商业顶层就叫转换层。一般转换层的含钢量根据转换构件的比例不同,一层转换层的含钢量约相当于3~6倍一层标准层的含钢量。因此,在建筑方案阶段应提前考虑到功能因素,尽量避免直接设置转换层的方式实现功能目标。

以上关于建筑平面和竖向的规则性的介绍,旨在说明,越规则的建筑越经济!当然在设计过程中还应对经济跨度、竖向构件轴压比、每层单位面积质量、层间位移角等参数的实时掌握和调整以实现过程成本优化。

(三)构件设计

住宅建筑最常见的构件按受力顺序依次是楼板--剪力墙(柱)-基础。

1.楼板

在满足承载力和挠度的情况下,楼板厚度肯定是越薄越好(越厚越重)。对于住宅建筑的楼板厚度,一般根据经验(考虑承载力和挠度)按该楼板短边计算跨度的1/35~1/40[11](双向板)考虑是最经济的。虽然有些楼板按这个经验标准,其楼板厚度会出现小于100mm厚的情况,但是综合考虑楼板管线、厨卫防漏水和施工期间板纵筋保护层厚度不易满足等因素,一般都做到100mm厚;对于前面提到的平面不规则(凹凸不规则、楼板局部不连续)的情况,其主要处理措施就是将部分楼板加厚来增加平面的整体性,不仅增加了自重,还增大了单位面积配筋量(规范对楼板最小配筋率有严格要求,跟板厚相关),应尽量避免。从这里也可以看出应尽量减少平面不规则的情况发生。

板跨小于3500mm(板厚100mm),能不布次梁尽量不布,要充分发挥楼板作用和钢筋强度。以下图为例。(图片见二维码)

红线圈出来楼板,短边跨度仅为3300mm,布置100厚的楼板,其承载力是有富余的,但设计人员习惯性的在标出的100mm厚的墙下设置次梁,实际上是增加了不必要的浪费,也影响了美观。

板配筋间距可以采用多种间距,不宜只考虑间距为100mm150mm200mm,以10mm为最小模数取值。过去的楼板施工图中关于楼板间距只会出现100mm150mm200mm三种,如果某楼板计算结果显示,每延米楼板需要钢筋面积为255平方毫米,配置8毫米直径的钢筋间距195mm才够,如果设计管理阶段不做要求,设计人员会直接取间距为150mm,这块楼板会增加近30%的配筋量。

2.

关于梁的设计应该是所有构件中最复杂的。下面从截面、配筋、图面表达三个方面就个人认为的重点做一些分析。

①截面

前面提到了,结构整体刚度越大,其吸引的地震作用越大,而与剪力墙平面内连接的框架梁是除剪力墙以外影响整体刚度的关键因素。剪力墙结构框架梁截面的选择应在保证抗侧刚度的前提下,尽量减小刚度少吸收地震力,采取从小截面开始试算的方式,框架梁从400mm高开始起算(外立面限制情况除外);次梁截面高度从300mm开始起算,一般情况下剪力墙结构住宅小次梁截面可采用150x300;框架结构梁截面选择应控制经济的配筋率。若设计阶段,业主单位设计管理人员不提出要求,并在过程中不加以控制,就算后期再做优化,也会很难实现经济性控制效果。

②配筋

纵向钢筋。

目前的计算程序对于梁的抗弯承载力的计算是按矩形截面计算的,实际工作中,梁是和楼板是分不开的,是共同受力的,应该T型截面,因此计算程序出来的结果是偏保守的。设计师按照程序计算出来的结果配置纵向钢筋时,除非是跨度大的重要框架梁和悬挑梁外,均可以不配筋值。业主在设计管理过程中应提出要求,在施工图审查过程中也应该重点检查是否超配钢筋。

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(煜晖公司  田磊)