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钢筋混凝土住宅结构优化设计分析
祁晓昱M
(1.上海铧发创盛置业有限公司，上海200127 ;2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092)
摘要：结合实际工程中的钢筋混凝土住宅结构设计优化案
例，在不影响结构安全性的前提下，对住宅结构常见的结构 优化设计方法和措施在设计参数、结构方案和构件设计层面 进行多维度的分析和总结，供结构设计人员进行参考和 目，此参数合理取值对于结构成本有较大影响。
5) 地震作用:周期折减系数建议值根据隔墙数量分布往规范上限值取，以减小不必要的地震作用，对剪力墙结构， 建议取值为0.95 ^
使用q
关键词：剪力墙；结构成本；用钢量;优化设计
中图分类号:TU375 文献标志码:A
文章编号：1672 -4011(2017)06 -0035 -04
DOI ： 10. 3969/j. issn. 1672 - 4011. 2017. 06. 020
1概述
随着社会经济的发展，住宅开发量日益增加，但随之而 来的竞争也越来越激烈。因此，如何控制开发成本成为设计
管控的一个重点b对于结构设计而言，合理的结构设计可以 在保证建筑安全且不降低建筑品质的前提下，为开发商增加 实实在在的利润，所以结构优化设计作为对常规满足计算要 求的结构设计过程的有效补充，就显得十分必要。
2设计参数
结构计算第一步是计算参数选定，这部分对于住宅结构
经济性影响很大，且并不反映在后期设计成果中，不容易被 发现。当前结构设计主要是依靠软件电算，电算前需进行计 算参数设置。如果设计人员特别是新人往往会按照过往项 目经验照搬参数，而不根据各个项目的具体情况认真思考斟 酌，则会造成一'定的浪费。2.1计算参数
1) 材料容重:对于高以剪力墙住宅混凝土容重一般取
26 kN/m3，粉刷和装饰荷载应根据做法表进行测算，以附加
荷载形式增加至计算模型中，不窗：通过整体提高混凝土容重
简单解决〇经测算，以7度K(0. 1 g)的1栋33M高M剪力 墙住宅项目为例，容宽由27 kN/m3优化重26 kN/m3后，结 构地震作用可降低2.5%，结构成本降低约1%左右s
2) 附加荷载:宜在设计初期确定工程做法表，不建议根 据工程经验估算。
3)
活荷载:宜根据建筑功能按荷载规范细化设置，生间需区分有无浴缸;地下车库应按楼盖体系和柱网间距设
置;消防车荷载应按覆土厚度进行折减1。4) 风荷载:地面粗糙度选取在目前设计中是主观性比较 强的一个参数，但在荷载规范中对其有明确定义：以房屋半 径2 km内建筑物平均高度近似确定，9〜18 m为C类，超过 18 m为D类按此标准实际工程中很多B类场地均可优 化为C类场地，特别对于沿海地区一些结构计算由风控的项
收稿日期=2017 -03 -19;修回日期:2017 -03 -23
作者简介：祁晓昱（1985 -)，男，江苏盐城人，硕士，工程师，主要研究方向：结构工程。
6)
结构材料:受力钢筋宜优先采用高强钢筋;对于结
局度较局的局层到力墙结构体系，上部结构的混凝土强度等 级应从下到上逐渐减小，层数特别多的项目，应根据计算结 果分段设计。对于纯构造部分，材料等级不ft太高，如基础 垫层混凝土强度不宜超过C20。2.2 地勘与试桩
在局U主宅结构中，结构基础造价成本大约占到土建成 本15%，对于成本控制十分关键。而粧基设计受地质勘察报 告影响比较大，由于地勘钻孔数tt并不能完全覆盖整个地 块，因此，目前勘察行业中粧基设计参数建议值主观因数取 保守数值的情况亦较多。这要求设计人员不能盲从勘察数 据，应结合周边项目设计情况和现场试粧以及沉粧情况进行 综合判断。同时，It在粧基正式施工前对粧基进行试粧，结 合试粧结果优化单粧承载力，保证工程造价经济性。以上海地区一高层住宅项目为例（建筑面积33万m2 )， 小区以33层左右剪力墙结构住宅为主。基础采用粧筏基 础，粧型为PHC - 500 - AB - 125，粧长42 m，粧端持力层8〜 2 Ji粉质黏土，受力特性为端承摩擦粧。根据提供的地勘报 告，估算单粧承载力特征值为1 960 kN，承载力偏低，采用满 堂布粧亦不能完全布置6但由于提前进行了试粧，结果表 明，压粧力达到6 200 kN时粧基仍未破坏。因此，勘察方最
终优化了粧基设计参数，结合试粧结果数值，单粧承载力特
征值最终取为2 950 kN。优化后粧基数量减少35%左右，节 约造价2 000万元，节约工期15 d左右。
3结构方案
3.1 上部结构布置
由于住宅结构设计往往具有标准层的概念，设计重复度 高，是结构优化设计的重点内容。
1)建筑体型（长宽比、高宽比）一般由建筑师根据功能
确定，但结构工程师可以根据计算需要，对超长的结构进行
设缝处理，以减少混凝土收缩和温度对超长结构的影响，优
化扭转位移比等结构设计结果，从而降低构件尺寸及钢筋用
量[2]。但在具体项目操作过程中，也不可盲目过多地设置结 构缝，这样会给建筑总图布置带来影响，还会影响日照时间 计算和建筑面积，有时反而得不偿失^因此，需进行方案比 选，结合建筑专业意见综合确定结构缝数量。此外，对于平 面不规则、凹凸比较大的结构，除了设缝，也可通过设置结构 连板来解决结构合理性问题，或者两种方式结合。
以图1项目为例，平面原总长66 m，宽度12.5 m，凹口 尺寸6 m，结构超长，且凹口尺寸超过50%，结构平面体系不 规则。由于平面上共分为3个单元，设计时首先通过设置结
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构缝将平面分为2 + 1两个单元。虽然解决了结构超长的问 题，单凹口比例过大仍未解决，由于建筑总图做得较为紧凑， 没有空间设置两条结构缝，因此，在左侧两单元间又增设了 结构连板以解决凹凸不规则的问题。需要注意的是，根据各 地地方面积计算标准的要求不一致，结构连板如设置在楼W 线位置局部地区有计算面积风险，可以与楼U线错开500 mm左右。
好的整体性a严格控制结构的扭转变形d剪力墙结构平面 布置尽量釆用长墙肢，避免长墙肢切断成多个较短墙肢导致 暗柱数量增加降低经济性的情况，尽M少采用短肢剪力墙， 以免增加配筋量。
3.2基础方案
对于高W住宅结构基础方案，由于竖向荷载远大于水浮 力，往往采用粧筏基础。
对于多层住宅结构基础方案，根据各地土质情况，宜根 据土质情况对比天然地基和粧基方案，不可统一采用粧基
础。以苏州地区6层洋房项目为例，基础设计前期对比了天 然地基方案(500 mm厚筏板，持力层为5 -2层粉土夹粉砂) 和粧基 + 防水板方案（PHC -500( 110) AB - C80 - 12 300
2 )对于高度较高的住宅结构，可沿高度对结构构件进行 逐渐优化纟^一'般可按10 k左右优化一'次。輿力墙厚度可以
50 mm为级数递减。
3)
构;小高层住宅、高层住宅优先考虑剪力墙结构。
4) 剪力墙结构的剪力墙布置宜规则、对称，并应具有良
mm厚防水板，500 mm承台，持力层7 - 1层粉砂），见图2S
选取一标准区域进行对比计算，考虑承台模板费用后，天然
地基方案单方材料造价仅为粧基方案的60%左右，见表1，
—般低层住宅、多层宅优先考虑异形柱或框架结 且可节约粧基施工和承台施工的费用和工期，优势明显D
,_______________18 000__________________,
5 200 1 900:4 5 200_______________18 000_____________5 200 1 900x4 5 200
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图2 天然地基方案桩基+防水板方案 天然地基筏板基础与桩承台+防水板基础对比表
5 400
3 6003 60018 000
5 400J800
序号1234
项目C30混凝土
钢筋模板桩基工程合计单价
单位m3kgm2m元元/m2
天然地基筏板基础
数量148.49 56238.7
单价442 元/m33.4 元/kg60.8 元/m2
总价/元65 58032 5102 350
数量115.58 788117.6492
100 723364
粧承台+防水板基础
单价442 元/m33.4 7U/kg60. 8 元/m2160.9167 500606
总价/元51 04029 8797 14879 173
对于地下车库结构方案，需抵抗水浮力作用，一般采用 抗拔粧方案，不宜一味增加底板厚度配觅抵抗水浮力。因为 保证净高不变的前提下，底板厚度增加同时水浮力亦同时增 加，效率不高，且会增加土方、基坑和底板费用5
3.3地下车库结构方案
地下室楼板方案，主要有梁板式方案和无梁楼盖方案， 通常来讲，梁板式方案结构经济性较好，无梁楼盖对地下车 库净高有利。但具体设计时不可一概而论，特别是地下室挖 深较深或者2 ^地下室结构，如采用无梁楼盖方案节约的挖 深可以影响到基坑围护形式，则需要进行土建+基坑造价综 合比选确定优化方案。图3为梁板式结构方案。
图3 梁板式结构方案
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此外，对于梁板式方案，又可分为普通梁板式结构和加 腋大板方案(见图3)，加腋大板方案在我国南方地区较为常 见，具有一定美观性&但从结构经济性角度，往往材料用暈 相对较大，施工难度也较大《特别对于跨度较小、柱网布置 不规则的地下车库，不建议作为首选方案。
当前主流的住宅项目地下车库方案有大柱网（3车位） 和小柱网（2车位）两种$ —般而言,小柱网巾于柱跨较小， 梁板配筋都有优势，结构经济性较好s同时，小柱网梁窩面 有一定优势，能够减少土方开挖量和围护费用。以华东地区 一住宅小区为例进行分析，原方案采用8. 1 m X 8. 1 m大柱 网，优化方案采用5.3 mX4.95 m小柱网（见图4)，
表2
单位面积主要材料用M
柱网尺寸
1|1||驪醒驪翳醒M蜃I
piiSMiiiipiMiiii
1腿_酾醒腦Mllllll,
建议小柱网案(5.3mx4.95m)
A=1574.64m2,n=72 辆，单车面积=21.46m2
图4原方案和优化方案对比图
从土建造价、车位销售额、层高综合效益等方面进行综
合比选，小柱网方案具有明显的单车位造价优势（见表2 )和 地块综合经济效益（见表3) e
水柱网方案造价表
单位面积
模板
造价
单车位面积
单牟位造价
/ ( m X m )8.05 X8.055.4x4.95表3
柱网尺寸
/ ( m X m )
混凝土 钢筋
/m3 1.20.81
/(kg.m—2)
130.26 96.25
/m21.71.78
/(元.m_2)
1 3821 052
/m221.621.46
/(元/车）29 85122 575
地块综合经济效益表
小柱网效益 /万元
车位销售效益
/万元
A K土建
成本
车位数/辆 難位减少
层高综合效益 效益总计
/万元---175
/万元 --190
/万元--718.5
8 X4.955.4x4.95
--793.5
1 681 1 671
--10
---90
4构件设计与构造措施
具体到施工图设计W面，更多的是需要设计人员在构件
5 )地下室外墙很多为裂缝计算控制，宣优先采用细密钢 筋，钢筋间距不fi大于150 mm，双侧水平分布钢筋配筋率不 宜小于0. 30%。外墙外侧钢筋宜按构造钢筋进行设置拉通 钢筋，支座处再根据计算结果附加钢筋。地下室外墙墙顶可 不设暗梁，通过墙顶附加单排钢筋加强。
4.2
梁板
设计和构造措施上进行优化设计把控_4.1 墙/柱
墙柱构件所占钢筋用量大约占大剪力墙结构总用钢量 的50%以上，具体设计时可从以下方面进行控制。
1)
求即可。对于统一类型的数量较多的边缘构件和结构柱，不 fi归并为一个边缘构件按所有构件中最大计算数值配筋，应
住宅结构一般有标准层的概念，重复度高，因此，梁板配 1)楼板钢筋除非特殊需要，一般采用分离式配筋&有抗
裂要求（如屋面板），配筋应采用细而密（<150)的布置。现
抗震墙的边缘构件配筋若非计算要求，应满足规范要 筋对于结构优化设计也有较大影响e
进行适当拆分。浇楼板配筋除特殊要求外，因抗裂要求需板面负筋拉通的，
2) 剪力墙墙肢轴压比可按墙肢截面整体计算，而不是按 建议只拉通温度应力钢筋，支座处负筋另外附加，避免支座
各个墙肢分别计算。负筋全部拉通造成的不经济。3) 建议采用墙身水平分布钢筋替代部分边缘构件箍筋 2 )板配筋锚固长度计算宜按净跨，而不藏轴线。的做法，并落实在配筋详图中，见图5 Q3) 对顶部覆土绿化的地下车库顶板，宜采用梁板式
构，现浇楼板配筋除特殊要求外，因抗裂要求需板面负筋拉 通的，建议只拉通温度应力钢筋，支座处负筋另外附加，避免
支座负筋全部拉通造成的不经济。
4) 地下室顶板抗裂设计时，可不考虑消防车荷载参组合。5)
6) 密区。
7)
图5 配筋详图
对于较为规则的地下车库，可考虑采用地下室底板
顶板结构找坡。
—端为梁的框梁，该端梁箍筋无需加密，间距同非
考虑构件受力性能，梁配筋宜第一排钢筋量尽量
足，梁钢筋尽量不大于2排@
4.3基础
4)剪力墙墙身分布钢筋宜按规范规定的配筋率进行控
制，计算不够时局部加强，钢筋间距模数不|定需按50 mm 一挡进行设置，建议按10 mm进行控制，例如8@ 170 mm。
对于住宅项目结构基础构件，常见的构件优化设计措施
(下转第40 I)
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落与破坏;④附属机电设备支架等地震影响，主要是位置设置适当、与主体结构连接锚固可靠Q
3.8利用好计算机辅助系统验证概念设计
建筑个性化的需求越来越受到重视，这些个性化带来建 筑平面变化、立面宇富甚至特殊，各种新型复杂组合体形（包 括大底盘多塔、主裙楼整体连接、结构连体、立面多次收进退 层和悬挑等结构）、复杂结构体系（多体系组合结构、不同类 型结构转换和巨型结构等)越来越多。对这些结构体系的分 析，应采取相应的、多个不同的力学模型进行分析比较。这 些分析比较经常关注不同分析模型在地震^^用下承载力的 客观一致性，主要振动周期、振型、位移和最大受剪承载力出 人不大，对补充进行弹性时程分析地震波选取符合规范统计 意义上相符，弹塑静力分析或弹塑性动力补充分析及按分析 结构校核及进行配筋设计。
通过先进的计算机辅助技术手段，可以围绕性能化设计 的要求，实现结构构件、结构体系的性能化设计。通过正确 运用这些技术手段，能实现结构设计分析过程的可视性，进 而实现结构设计的安全性和经济合理性。这些辅助技术的 运用，回过头来又促进了建筑结构概念设计理念的全面 落实。：
3.9隔震与消能减震设计
隔震与消能减震设计都是目前发展迅速的减轻地震灾 害的技术t隔震技术通过在建筑物基础与底部或者上部与 下部之间设置隔震U，隔离地震能量向±部传递，有效降低 上部结构的地震反应。理论分析与强震记录证实，建筑隔震 可以降低地震水平作用60%左右，相当于降低设防烈度1.0 〜1.5度，高烈度K隔震建筑可以获得较好的经济效益0消 能减震建筑通过设置消能部件（阻尼器、连接支撑或其他连 接构件组成），阻尼器在地震中变形吸收和消耗地震能量同(上接第37页）有以下几方面。
1) 基础梁设计按非抗震构件，配筋采用分离式。2)
时附加结构阻尼，减少地震反应，实现保护主体结构不发生 或仅仅发生较小的地震损伤。结构工程师应该主动利用好 结构设计新技术提升抗震概念设计，
4结语
概念设计是整个建筑抗震设计的重要基础，为提高建筑
物的整体抗震性能提供了可能。在建筑抗震设计中，建筑设 计与结构设计必须协调统一。概念设计是解决抗震设计本 身的计算近似性及地震作用的不确定性的基本途径，结构工 程设计经验的积累过程就是概念设计思维运用的积累过程， 建筑结构概念设计的把握甚至比设计软件的计算运用要求 更高e结构设计中只有自觉遵守主动运用概念设计理念原 则，才能不断适应建筑需求变化给结构抗震设计带来的各种 新的挑战。
[ID：004275]
参考文献：[1 ]
赵彤.高层建筑结构基于性能抗震设计思想的应用〔J].结构 工程师，2011，27(2) : 19 -26.
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罗开海，黄世敏.《建筑抗震设计规范》发展历程及展望[J].工
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3) 设计总说明中应对二次装修荷载提出限值要求。4)
楼板开洞，应根据开洞大小提出相应处理措施，不
归并处理。
单纯以层数来确定底板厚度是不可取的,应该由板的
抗冲切强度决定。地下室底板宜采用构造钢筋拉通，计算不
5结语
足处采用附加钢筋。住宅结构优化设计是一个系统而全面综合的工作，需要
3) 抗汗桩布置，优先采用柱下集中布粧或剪力墙下条型 结构工程师在日常工作中多总结、多思考，多与相关专业沟 布粧，每个承台及整个单体的布粧系数（粧基单粧承载力总 和与上部总荷载的比值)均宜控制在1. 05〜1. 15，试粧结果 较理想时可取低值@当粧数较多时可考虑满堂布粧。抗压 粧设计可考虑水浮力的有利作用。
4)
通，才能达到良好的效果。这对于当前住宅开发进度较为紧 张的大环境下，显得尤为重要，因为合理的结构优化可以在 不影响结构資全的前提下，为业主带来实实在在的利润，同
时也体现了设计人员的水平和追求卓越的精神e
[ID：004302]为提高布粧效率，宜优先采用长细粧。钻孔灌注粧在
参考文献：
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[4] 徐勤.钢筋混凝土住宅绪构设计优化及实例分析[J].工程设
条件允许的情况下，考虑后注浆技术，提高粧基承载力。
5) 土质条件尚可地区，电梯基坑或者集水井处可采用直 壁基础。如土质条件不好，可采用60°放坡。
6)
果按小值设置，不可盲目放大#
4.4 其他
1)
内容越归并，设计经济性越差。
2) 填充墙及轻质隔墙荷载应有容量或面密度控制数据。
[2] 周袁凯，许晶.钢筋混凝土住宅钢筋用董的优化和有效控制 筏板基础地下室外墙外悬挑距离应根据抗浮计算结
结构设计总说明中具体构造措施应尽暈细化，通用性
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