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1、高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化淺析 摘要:結(jié)合榕發(fā)觀湖郡項目,深入研究框架柱、梁結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題,并結(jié)合細部構(gòu)造提出了框架梁露梁、框架柱凸角設(shè)計優(yōu)化方案,以期為建筑工程設(shè)計提供思路。關(guān)鍵詞:高層建筑;框剪結(jié)構(gòu);框架梁;設(shè)計優(yōu)化0引言框架剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑工程中常見的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)支撐體系,框架梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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
2、了框剪結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略,以期提高住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)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(shè)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(shè)計,本項目以小戶型建筑為主,對室內(nèi)
3、設(shè)計精細化要求較高,部分結(jié)構(gòu)設(shè)計存在露梁問題,占用室內(nèi)空間,且影響居民裝修設(shè)計,因此,本單位結(jié)合工程原結(jié)構(gòu)設(shè)計細部進行優(yōu)化設(shè)計,提高室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性、科學(xué)性。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化內(nèi)容包括:2#、3#、5#廚衛(wèi)設(shè)計優(yōu)化、810#樓廚衛(wèi)設(shè)計優(yōu)化和11#樓柱網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化。2結(jié)構(gòu)設(shè)計難點問題及對策2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計難點問題。(1)建筑結(jié)構(gòu)安全和成本問題。本次建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是在初步設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化,在不改變原結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上,優(yōu)化室內(nèi)框架梁、剪力墻等結(jié)構(gòu),解決局部露梁、空間布局不合理等問題。但在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)安全和成本控制等問題,防止不合理設(shè)計影響建筑結(jié)構(gòu)安全性。(2)對室內(nèi)使用
4、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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案以保持原使用面積或增加使用面積為導(dǎo)向,盡量避免結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對原使用面積的占用,給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定的困難。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計難點問題應(yīng)對。針對上述問題,工程總承包單位經(jīng)與業(yè)主及設(shè)計院溝通協(xié)調(diào),明確了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則,并提出合理性應(yīng)對方案。(1)結(jié)構(gòu)安全和成本問題。本項目中,為保障建筑結(jié)構(gòu)安全,合理控制項目建設(shè)成本,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要以上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為主,盡量避免調(diào)整基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。室內(nèi)框架梁、剪力墻結(jié)構(gòu)調(diào)整以微調(diào)為主,降低大幅度調(diào)整對本項目結(jié)構(gòu)安全、造價成本的影響,確定細部設(shè)計方案后進行結(jié)構(gòu)方案造價測算,對
5、比設(shè)計優(yōu)化前后造價情況,提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的經(jīng)濟性、合理性。(2)以空間增加為導(dǎo)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時,為滿足業(yè)主、居民對建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計院提出多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案,對比分析各方案設(shè)計優(yōu)勢和使用面積變化情況,經(jīng)對比后合理選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案,滿足業(yè)主、居民要求,提高業(yè)主項目建設(shè)收益和居民居住舒適性。3建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容分析3.1廚房框架梁設(shè)計優(yōu)化。原結(jié)構(gòu)設(shè)計中,廚房、煙井處為框架梁,露出高度為200mm,在廚房結(jié)構(gòu)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
6、方案:(a)增設(shè)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(jié)構(gòu),將框架梁設(shè)置外墻部位,在保障建筑結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移至左上角,框架梁下移200mm,按梁墻一體設(shè)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(guān)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
7、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(guān)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(shè)剪力墻,影響原首層入戶門廳結(jié)構(gòu)和樁基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),導(dǎo)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(jié)構(gòu),導(dǎo)致居民后期裝修裝飾施工受限;方案b中結(jié)構(gòu)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(shè)計優(yōu)化。原設(shè)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
8、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)體系。(b)平面布置優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)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(shè)計優(yōu)化中,方案a結(jié)構(gòu)體系變化造成混凝土、配筋用量增加,需同步調(diào)整樁基結(jié)構(gòu),調(diào)整幅度較大。同時,
9、由于剪力墻結(jié)構(gòu)體系變化造成隔墻厚度增加,壓縮了室內(nèi)過道空間,導(dǎo)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化要求。經(jīng)與業(yè)主溝通,在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性,過度減小柱
10、截面將導(dǎo)致工程成本大幅增加,并影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性能,因此,在原結(jié)構(gòu)設(shè)計上以適當(dāng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化,即不改變原結(jié)構(gòu)體系前提下,仍采用框架剪力墻柱結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震性能和承載力的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計抗剪力和
11、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(dāng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。4結(jié)語本工程中,經(jīng)業(yè)主、專家組審批同意,設(shè)計單位對原設(shè)計方案進行整體調(diào)整。經(jīng)測算分析,優(yōu)化設(shè)計后,建筑抗震性能符合工程設(shè)計目標(biāo),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化預(yù)期目標(biāo)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(shè)計研究D.泉州:華僑大學(xué),2014.2周旭東.重慶市公租房規(guī)劃及建筑設(shè)計研究D.重慶:重慶大學(xué),2011.3賀曉燕.住宅廚衛(wèi)空間人性化設(shè)計研究D.西安:西安建筑科技大學(xué),2009.