高层住宅混凝土结构设计与优化分析

余文韬

（翰林（福建）勘察设计有限公司，福建 福州 350001）

高层住宅是城市发展到一定阶段的产物，它不仅为人们挡风遮雨，也是人们日常生活的重要组成部分。在人类的住宅发展过程中，建筑造型越来越多元化，建筑的功能也越来越人性化。如何更好地实现建筑师的高层住宅设计意图，是结构工程师在结构设计和优化中需解决的关键问题。

1 高层建筑的结构特征

高层住宅在进行结构设计时，主要要考虑竖向荷载和水平荷载两个因素。其中竖向荷载主要包括结构本身自重、施工或建成使用中的活荷载以及竖向地震作用等；水平荷载主要包括风荷载和水平地震作用。竖向荷载作用下的受力情况相对简单，根据传统的力学知识即可进行分析设计，但水平荷载作用下的受力情况相对复杂，而且对高层住宅的结构起控制作用的往往是风荷载和水平地震作用。

2 结构设计优化的要点

结构设计优化可分为方案设计阶段及施工图设计阶段。在方案设计阶段，结构工程师应确定结构体系，结合建筑功能确认合理的结构布置；在施工图设计阶段，则主要是考虑控制结构施工的可行性。因此，前期方案阶段对高层住宅造价的影响最大，施工图阶段重点只是根据不同工程师的设计习惯把控配筋量。根据工作经验，笔者简要归纳出结构设计优化的几个要点。

2.1 结构体系的选择

目前，普通高层住宅常用的结构形式有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等。框架结构是指由梁、柱组成框架来抵抗水平荷载和竖向荷载的结构形式。其特点是空间布置灵活可改造性大，结构自重轻，但也存在刚度较差、抗侧力能力弱等缺陷，对水平荷载承载力较低，所以普遍用于低烈度且对住宅品质要求不高的小高层结构。

剪力墙结构是现在高层结构中最常使用的结构体系，指的是由抗侧刚度大的钢筋混凝土墙体承受全部水平荷载和竖向荷载的结构形式。其特点是结构体系刚度较大，空间整体性能较好，且呈现出良好的抗震性能，但剪力墙结构中的墙体不像框架结构填充墙可拆除，不能形成大空间，不利于用户后期使用功能改造。

框架剪力墙结构的受力特点兼有框架及剪力墙结构体系的优点，即在剪力墙结构中布置一定数量的框架柱，这种结构布置及使用上比剪力墙结构灵活、方便，刚度及抗震能力上比框架结构有着明显的提升，但其抗侧刚度不如剪力墙结构体系，所以主要还是用于低烈度高层中。

综合经济性及住宅的品质要求，笔者认为6度、7度、8度区，高度≤80m建议采用剪力墙结构或少柱剪力墙结构；6度区，高度≤60m可采用框剪结构。

2.2 合理结构布置

高层住宅在方案阶段往往为了迎合开发商的需求，刻意追求户型而忽视了结构的合理性，这样不仅增加结构造价，而且常常使局部构件受力集中，结构体系不合理。如下案例：某住宅为7度区（0.1g）、地震分组二组、二类场地、基本风压0.8kN/m²的32层高层住宅，方案阶段结构工程师为了满足建筑及规范的要求，布置剪力墙偏多且无法拉通，剪力墙的传递水平力效率低，结构布置不合理（见图1）。笔者在校审时与建筑师沟通，调整部分房间开间尺寸，使剪力墙尽量拉通，增加分户墙厚度，去除部分户内剪力墙（见图2）。调整后的结构布置，传力途径清晰明确且建筑空间和功能没有被破坏，得到建筑师及业主的认可。

图1 方案阶段结构平面布置图

图2 调整后结构平面布置图

2.3 建筑高宽比

基于人们居住习惯，大部分业主喜欢南北通透的户型，所以目前很多住宅的户型都采用“板式”结构，导致很多高层住宅的高宽比较大。虽然规范中对建筑的高宽比没有明确的限制，但高宽比是影响结构设计经济性的一个重要指标。结合以下几个实际项目（见表1），可知高宽比超过《高层建筑混凝土结构技术规程》规定越大，结构的经济性越差。根据笔者的经验，为了确保结构的经济性，高宽比应尽量控制在最大高宽比1.3～1.5倍。

表1 不同高宽比经济性对比

2.4 柱墙率

柱墙率指的是标准层竖向构件截面面积总和占建筑标准层使用面积的百分比。在高层住宅中，构件用钢量竖向构件∶梁∶板约为2∶1.5∶1，由此可见，竖向构件的用钢量是最多的。由于过多的竖向构件会影响建筑空间功能布置，所以在结构设计优化中控制竖向构件的面积数量对住宅的经济性、使用性有明显的作用。根据笔者的工作经验，总结如下的柱墙率（见表2）。

表2 不同地震烈度、加速度（风压）柱墙率建议

2.5 嵌固端的选择

现在的高层住宅往往都有大底盘地下室，如何选择嵌固端对建筑结构的经济性及合理性起到重要作用。《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》中对嵌固端的要求较高（主要是地下室与地上一层的刚度比），所以很多结构工程师习惯将嵌固端设置在地下室底板。但这种计算模型的假定所得出的嵌固端仅为计算嵌固端，笔者认为不妥。嵌固端为预期出现塑性铰的位置，大底盘的地下室即使通过计算无法满足规范嵌固要求，但实际还是对结构起到嵌固作用。根据笔者的经验，在选取嵌固端的时候应结合实际情况，尽量将嵌固端取到地下室顶板，实在无法满足刚度比的情况下，应按嵌固在顶板（实际嵌固端）与嵌固在地下室底板（计算嵌固端）两个计算模型进行包络设计。

3 结束语

总的来说，随着我国经济发展人民生活水平的提高，对高层住宅的品质、功能要求越来越高，高层住宅的发展趋势越来越国际化，设计样式越来越多，这对高层住宅的结构设计优化提出了更高的要求和挑战，高层住宅的结构设计难度也越来越大，结构设计受重视的程度日趋提高，在一定程度上将确保各类建设项目的顺利运行。