浅谈住宅建筑结构设计经济性

2020-09-14 12:24:19 中国房地产业·上旬 2020年9期

【摘要】地产公司对建筑经济性要求越来越高,在结构设计时设置了相应的经济性控制指标。本文从建筑结构设计角度,对如何提高土地资源利用率、降低建筑结构工程造价,对影响住宅建筑结构经济性的部分影响因素进行分析。

【关键词】结构方案优化;结构构件;材料用量;结构经济性

1、引言

近年来,长沙地区住宅土地市场在限房价、竟地价的规则下,房价在土地拍卖时就已经被限制,楼面成本价基本接近政府对商品房的指导价,利润空间被严重压缩。原来以增加赠送面积、提高住宅品质、增加学区配套等增加产品溢价、提高售价的传统方式基本失效。成本控制贯穿在房地产开发的过程的各个阶段,据研究在规划设计阶段对成本经济性控制的效果可以达到全阶段的80%左右,而且实施阻力很小,因此在设计阶段进行事前控制显得尤为重要。

设计阶段结构经济性优化主要有三个方面:

第一个方面是建筑方案阶段,综合结构、工程、营销等方面的影响对建筑总体方案进行的优化和调整,一般从建筑专业入手,通过结构专业来实现的,这方面的经济效益已脱离结构专业自身,对建筑适用性、舒适性、美观性进行优化设计,提高建筑品质、突出营销卖点,让结构、岩土等隐性成本向建筑功能、建筑品质、营销亮点等显性成本转移,实现经济价值最大化的过程。

第二方面是建筑地基基础与主体结构方案的优化,主要能对结构总体性能进行改进、可能还会对土方开挖、边坡支护、以及人工、机械等方面的节约,增加施工便利性,缩短施工工期,优化量级在几十万、几百万之间,这是广义的结构优化,也是结构宏观方面的优化。

第三方面是对结构构件的优化,主要指标是混凝土含量与钢筋含量来进行体现,一般达到几万、上十万的经济效益,也是结构微观方面的优化。

本文主要从建筑方案阶段、基础及主体结构方案、结构构件优选方面谈一下作者的心得体会。

2、结构设计经济性方案探讨

2.1建筑结构总体方案优选

建筑方案确定以后,成本也基本确定。

一个优秀的建筑设计方案,除了要满足建筑自身的适用性、美观性等建筑要求外,还需考虑结构的合理可行性、社会经济性。尤其是一般高层住宅建筑应满足最核心的居住功能的要求,避免天马行空、华而不实地进行所谓的创意。结构设计必须从方案阶段对建筑方案提出优化改进建议,在不影响建筑效果的前提下,解决部分建筑先天不足,对结构成本控制起到事半功倍的效果。

建筑设计应重视平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响,宜注意建筑形体的规则性、高宽比不宜过大、避免竖向结构转换、避免外墙过多的凸出和凹进、控制外挑或外挑内收尺寸、控制合理的柱跨、居中或对称布置楼电梯间等方面。普通住宅建筑方案应避免特别不规则甚至结构超限,方便结构专业能规则、对称地布置结构抗侧力构件,避免侧向刚度和承载力突变。

结构超限的避免和优化:

结构超限分为:高度超限和复杂程度超限。建筑的高度超限的主要决策一般在策划前期或者土地竞拍时已经确定,一般不会由设计部门来确定,设计师主要对复杂程度的超限方式进行规避。前期控制,在方案阶段就进行充分的沟通,采取一些结构上的处理措施,比如塔楼偏置问题时适当调整主楼位置,避免7°区转换层超过5层、凹凸不规则项增加连接宽度大于2米宽的连接板等。

2.2建筑地基基础方案优选

根据笔者的多年设计经验结合前人总结的成果。地基基础选型一般遵循的优先顺序是:天然基础-换填-地基处理-复合地基-桩基-整体桩筏基础,基础选型时需要综合考虑采用浅基础增加的基础埋深与地基处理、桩基方案的经济性比较,因地制宜、具体情况具体分析选择最优的基础方案。

别墅洋房多层普通住宅:

多层住宅宜采用墙下条基、柱下独立基础,不带地下室时基础应尽量浅埋,在天然地基承载力不足的情况,也应不急于采用地基处理或桩基础方案,如果地下空间开发利用的经济价值比较高,可以尝试增加地下室或地下室层数。从结构工程角度主要有以下两方面的优点:(1)可能使基础持力层位于较好的持力土层;(2)可以增加天然地基承载力的深度修正值,对地基沉降变形也有一定的好处,取得良好的综合经济效益。

高层普通住宅建筑:

高层住宅建筑一般附带单层或多层地下室,在满足最小嵌固深度的条件下:

小高层住宅建筑如持力层(9-18层)为压缩模量较小的细砂、中砂、碎石土等,在承载力特征值在150~200KPa时,可采用筏板基础,承载力特征值在200~300KPa时,可在采用独立柱基或条基。

高层住宅建筑如持力层(18-34层)为压缩模量较小的细砂、中砂、碎石土等,在承载力特征值在300KPa左右时,可采用筏板基础。

但如果带有软弱下卧层时,需验算地基变形是否满足要求。

当天然在土质较差的时候,可以采用CFG桩复合地基或者普通桩基础,桩基础可采用预应力管桩、长螺旋钻孔灌注桩、人工挖孔桩、旋挖成孔灌注桩等桩基础形式。长沙地区采用CFG桩复合地基情形比较少,普通桩基优选也需要因地制宜、综合各方面信息进行多方案综合比较确定。

比如长沙地区多为山地丘陵地区,一般情况下,基岩埋置深度较浅,从上往下依次为粉质黏土层,全风化岩、强风化岩和中风化岩、微风化岩,各持力层厚度不均,分界不是特别明显。高层建筑基础设计时根据单樁承载力来确定桩端持力层,一般来说岩埋深较浅时,优先选择中风化、微风化层作为桩端持力层,人工挖孔桩扩底后,单桩承载力优势明显。部分湘江阶地含有卵石层较厚、附带细砂、粗砂的情况下的基础选型,一般来说,当卵石和碎石土最大粒径不超过50mm时,可采用长螺旋钻孔灌注桩,并采用桩底桩侧采用高压注浆后,单桩承载力能提高30%~80%,可以取得良好的经济效益。

2.3建筑主体结构方案优选

别墅洋房多层普通住宅:

多层住宅结构形式主要采用普通剪力墙结构、短肢墙较多的剪力墙结构、异形柱框架结构、异形柱-剪力墙结构。需要注意的是异形柱框架结构的高度限值是24米,超过24米要采用异形柱框剪结构,在长沙6度区异形柱框剪结构的框架抗震等级四级,剪力墙抗震等级为三级,底部两层需要设置约束边缘构件,而对于普通住宅来说,异型柱的截面大于600后是短柱,箍筋要全高加密,体积配箍率不应小于1.2%,含钢量会有一定的提升;如果采用剪力墙结构,抗震等级为四级,只需要采用构造边缘构件,梁由于跨度减小后配筋量也会减少。这种情况下采用剪力墙结构会比异形柱框剪结构更加经济。

高层普通住宅建筑:

剪力墙结构具有承受竖向荷载和水平荷载能力强,整体性好、抗侧力刚度大,抗震性能好,没有梁柱外露、室内空间规则的优点,广泛应用于高层住宅建筑。当主楼底部一层或几层需要大空间时,需对上部剪力墙进行转换,就形成了框支剪力墙结构。由于框支剪力墙抗震性能较差,从结构安全经济性方面评估,高层住宅应尽量设计成普通剪力墙结构。普通剪力墙是指截面长宽比大于8的剪力墙,短肢剪力墙是指截面长宽比为4~8的剪力墙。由于短肢剪力墙抗震性能比普通剪力墙要差,高规规定在规定水平力作用下,短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总地震力矩的50%,短肢剪力墙其墙身的轴压比限制及竖向钢筋的配筋率要求却远远高于普通剪力墙结构,除非开发商对平面布局灵活性有特殊要求,不宜采用短肢剪力墙结构。

地下车库底板和楼盖结构:

对于普通地下室底板,优先采用柱下独立基础或墙下条形基础+抗水板结构或预制管桩(长螺旋钻孔灌注桩)+抗水板形式。由水浮力较大,整体或局部抗浮不能满足时,可以采用降低层高、增加结构自重(如无梁楼盖顶板)、延伸底板等增加配重措施。在采用抗拔桩或抗浮锚杆的经济性必选时,也需结合基础底板设计及施工工期要求进行综合比较。若基岩埋深较浅时,采用柱下独立基础时可优先考虑抗浮锚杆;当天然地基承载力不能满足承载力要求时,应优先选择抗拔桩基础,同时发挥抗拔桩的承压作用。

带种植覆土的地下车库顶板楼盖结构,在考虑降低层高的综合经济效益、施工便利性方面,优先采用无梁楼盖。必须采用梁板体系时,采用井字梁结构经济性明显优于单向次梁及十字梁结构。中间层无人防荷载楼盖采用双平行次梁体系最优,其次是主梁大板体系。带人防荷载时,楼盖经济性与顶板楼盖选型结论相似。

2.4结构构件优化

结构计算模型要求参数定义合理化、精细化:如平面荷载精细化、地面粗糙度不随意选择B类、梁配筋考虑楼板翼缘T形梁配筋、活荷载根据规范进行折减。根据计算结果,满足规范限值要求的前提下,尽量控制构件余量,避免结构构件有过多的冗余。

构件细部的优化原则是重视结构概念,做到该加强的部位加强,该弱化部位弱化,强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件等概念性要求,满足结构安全经济,尽量减少不必要的浪费。

结语:

在住宅建筑设计过程中,结构设计师应该树立结构经济意识,积极地参与建筑方案阶段的前期控制,重概念设计,选择合理的结构选型、优化结构竖向和平面布置、综合考虑岩土、施工、营销各方面成本,取得良好的经济效益。

参考文献:

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[4]李國胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

作者简介:

杨志富(1984-),男,汉族,湖南长沙人,本科,工程师,主要从事结构设计工作。