谈住宅建筑结构设计经济性

民生消费
2020年9月（下）/ 总第269期
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引 言
高层住宅作为住宅建设中的重要类型，已经成为我国当前建设量较多的住宅类型。

大量建设的高层住宅，对于人们生活方式、传统城市景观形象及居住格局均造成了极大改变，我国正处于城市化迅速发展阶段，众多人口向城市涌入，不同程度上城市展现出地少人多的情况，高层住宅可使城市人口容量增加，避免城市无边界扩张，推动其实现集约化发展。

但是，住宅建筑通常投资较大，建设周期长，需配制公共走廊、高压水泵及疏散楼梯等，怎样在有限土地上提高住宅结构性与经济性已经成为当前社会关注重点，合理设计住宅建筑成为建设者的新要求。

1　住宅建筑对结构设计新要求
1.1 新要求
因能源、土地、材料价格不断上涨，房地产开发商对于住宅设计提出了新要求，需要注意资金与材料的节约，遵循结构设计“经济合理、安全适用”的指导思想，在根本上提高其经济性。

而设计人员则应当把握建筑结构概念设计，结合建筑工程条件与功能要求，依据工作经验和理论知识，于特定建筑中以整体概念设计总体结构方案，对结构与结构、结构和构建关系进行有意识处理[1]。

一栋住宅建筑如若未能经过正确的设计，则无法获得价格最低、效果最佳的结构方案。

同时，业主审美意识及思维方式不同，住户对建筑空
间也具有不同要求，结构设计中应当对建筑分户墙、楼梯间等空间设置进行划分，保证开间进深灵活性，利用承重墙性能，为窗户创造灵活条件，充分体现出结构设计下空间户型的个性化。

1.2 经济性分析
工程项目中，设计阶段决定了80%的投资金额，课件其对项目投资具有决定性作用。

结构设计对项目投资量具有直接影响，其主要体现在以下方面：（1）结构形式适用范围。

砖混结构通常而言相较于混凝土结构更具经济性，混凝土结构则比钢结构更具经济性。

我国当前建筑多为混凝土结构，其包含框剪结构、简体结构、框架结构、框剪结构及剪力墙结构等，不同结构均有其使用条件。

如，剪力墙结构通常用于高层建筑，即医院病房、住宅、饭店、公寓等。

建筑功能不同需求，加上不同的室内效果，小高层建筑可应用短肢剪力墙结构或尖利蜡结构；筒体结构不宜应用于60m 以下建筑，100m 以上方可应用；框剪结构可应用于大开间办公建筑和高层住宅[2]；框架结构多应用在不超过10层的建筑，当前在住宅、公共建筑等应用广泛，不宜应用于抗震设防高烈度区；砖混结构则用于小开间建筑不同要求多层建筑，其抗震性较差，作为独立结构形式，不利于房屋扩建与装修，基本经济发达地区很少应用该结构形式。

（2）选用建筑材料。

建筑材料应选择强度较高的，如，钢材可选择三级钢，HRB400、HRB335、HPB300钢材价格较为接近，抗
谈住宅建筑结构设计经济性
■■方志成
（中元国际（南京）城市规划建筑设计研究院有限公司）
摘　要：住宅建筑结构设计关乎人们生活质量，应在保证工程质量的前提下，提高其设计经济性，已经成为当前设计重
点。

基于此，本文主要从住宅建筑对结构设计要求切入，进行经济性分析，以某高层建筑住宅为例，结合实际情况探究不同结构设计下经济情况，选择最佳经济方案，以期为相关工作者提供有益借鉴，提高住宅工程效益。

关键词：住宅；建筑结构；设计经济性
方志成：谈住宅建筑结构设计经济性
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拉强度差别却较大，应选用性价比高的高强钢筋。

混凝土则应用标号在C30以上的，主要是由于当前施工技术能够让其达到C80，减轻结构自重，减小结构截面[3]。

填充材料则选用加气混凝土、纸面石膏板、水泥纤维板等轻质墙体，该材料可将室内应用面积增加的同时，还能减少地震作用与结构向重，进而降低混凝土用量与构件配筋量。

（3）基础工程投资。

在总工程投资中，基础投资约为20~30%，课件基础设计十分重要，在设计之前应当对地质分析报告仔细阅读，选择合理基础形式，通过试算方式，明确住宅沉降要求及基础承载力。

而应用桩基础也应当比较不同桩经济性，寻找优质桩基形式。

结构工程是应当充分计算工程量与工程造价，便于图纸设计准确精细，保证工程经济性。

2　工程概况
本项目为某住宅二期工程，位于九江市庐山区，共有18层，高度为54m，上人平屋顶，总宽度14.6m，总长度30.6m，整体为长方形，共有地上建筑5814.12㎡面积。

该地区抗震设6度防裂度，基本设计地震加速度值0.05g，场地土壤以软弱土和中硬土为主，B 类地面粗糙度，二级结构安全等级，使用年限设计为50年，丙类抗震设防[4]。

结构经济指标包含混凝土用量、建筑面积、钢筋用量、每平方米建筑面积含钢量、混凝土含钢量、工程总造价、结构工程造价等。

以该高层住宅为例，进行结构设计，选择经济性高的方案。

3　住宅建筑结构设计的经济性分析
3.1 不同结构经济性分析
3.1.1短支剪力墙结构
结合该项目情况，进行方案设置，在此阶段结构设计中，主要提出方案如下：选择厚度200mm，局部250mm，墙肢长为肢体宽5～8倍，以L 型和T 型为基本布置形式，可满足建筑平面要求。

客厅南面开间4.8m 板取厚度130mm，阳台板厚度为80mm，挑檐板厚度为150mm，其余房间板厚为100mm，不上人与上人屋面板厚均为120mm [5]。

楼梯进行等效板厚计算荷载，厚度为170mm。

不同楼层剪力墙应用混凝土不同，1~2层为C40混凝土，3~5层为C35混凝土，6~18层为C30混凝土。

根据《高层建筑混凝土结构规范》，利用PKPM 软件对剪力墙底部倾覆力矩和总结构倾覆力矩比值进行计算，因PKPM 软件具有准确性强的优势，可以获得更加准确的倾覆力矩。

经计算，得出结果X 和Y 方向分别为47.4%与33.6%，符合《高层建筑混凝土结构规范》规范要求。

并且，对其混凝土用量与每平方米含钢量进行分析，其混
凝土用量为1529.422m 3，含钢量为30.87kg/㎡。

3.1.2剪力墙结构
选择剪力墙厚度200mm，局部300mm，可满足建筑平面要求。

客厅南面开间4.8m 板取厚度130mm，阳台板厚度为80mm，挑檐板厚度为150mm，其余房间板厚为100mm，不上人与上人屋面板厚均为120mm。

楼梯进行等效板厚计算荷载，厚度为170mm。

不同楼层剪力墙应用混凝土不同，1～5层为C40混凝土，6～13层为C35混凝土，14～18层为C30混凝土。

同样利用PKPM 软件对剪力墙底部倾覆力矩和总结构倾覆力矩比值进行计算，得出结果X 和Y 方向分别为25%与16.5%，符合《高层建筑混凝土结构规范》规范要求。

并且，对其混凝土用量与每平方米含钢量进行分析，其混凝土用量为1517.391m 3，含钢量为30.54kg/㎡[6]。

3.1.3典型框架—剪力墙结构
选择典型框架—剪力墙厚度200mm，局部300mm，选择框架柱为300m m ×450m m ，300m m ×300m m ，300mm×600mm，300 mm×500mm，可满足建筑平面要求。

客厅南面开间4.8m 板取厚度130mm，阳台板厚度为80mm，挑檐板厚度为150mm，其余房间板厚为100mm，不上人与上人屋面板厚均为120mm。

楼梯进行等效板厚计算荷载，厚度为170mm。

不同楼层剪力墙应用混凝土不同，1~5层为C40混凝土，6~13层为C35混凝土，14~18层为C30混凝土。

以PKPM 软件对剪力墙底部倾覆力矩和总结构倾覆力矩比值进行计算，得出结果X 和Y 方向分别为30%与23.7%，符合《高层建筑混凝土结构规范》规范要求。

并且，对其混凝土用量与每平方米含钢量进行分析，其混凝土用量为1415.315m 3，含钢量为28.85kg/㎡。

通过对比不同结构体系经济参数，选择最佳结构体系（见表1）。

表1 混凝土不同结构体系经济性
结构
每平方米含钢量混凝土量短肢剪力墙30.87kg/㎡1529.422m 3剪力墙
30.54kg/㎡1517.391m 3典型框架-剪力墙
28.85kg/㎡
1415.315m 3
由此可知，典型框架—剪力墙每平方米含钢量及混凝土用量最少，经济性较高，项目可应用该结构。

3.2 框架剪力墙结构不同布置
在规定水平作用力下，框架—剪力墙底层框架承受底部倾覆力矩和总结构倾覆力矩比值存在差异性，且结构性能不同，规范要求不一。

根据当前规范，可将其结构划分为承担倾覆力矩10%，与纯剪力墙工作性能相近的结构；承担倾覆力矩10%~50%，为典型框架—剪力墙结构；承担倾覆力矩80%，根据规定执行框架轴压比较与抗震等级；承担倾覆力矩超过80%，则为少墙框架—剪力墙结构。

不同结构设计不同，为选择最佳经济性设计方案，结
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合不同结构形式提出具体布置：3.2.1框架—剪力墙（10%倾覆力矩）
选择框架—剪力墙厚度200mm，局部300mm，可满足建筑平面要求。

客厅南面开间4.8m 板取厚度130mm，阳台板厚度为80mm，挑檐板厚度为150mm，其余房间板厚为100mm，不上人与上人屋面板厚均为120mm。

楼梯进行等效板厚计算荷载，厚度为170mm。

不同楼层剪力墙应用混凝土不同，1~5层为C40混凝土，6～13层为C35混凝土，14~18层为C30混凝土。

以PKPM 软件对剪力墙底部倾覆力矩和总结构倾覆力矩比值进行计算，得出结果X 和Y 方向分别为6.4%与1.3%，符合《高层建筑混凝土结构规范》规范要求。

并且，对其混凝土用量与每平方米含钢量进行分析，其混凝土用量为1426.7955m 3，含钢量为29.47kg/㎡。

3.2.2框架—剪力墙（50%~80%倾覆力矩）
选择框架—剪力墙厚度200mm，局部250mm，选择框架柱分别为400mm×450mm，400mm×400mm，450mm×450mm，可满足建筑平面要求。

客厅南面开间4.8m 板取厚度130mm，阳台板厚度为80mm，挑檐板厚度为150mm，其余房间板厚为100mm，不上人与上人屋面板厚均为120mm。

楼梯进行等效板厚计算荷载，厚度为170mm。

不同楼层剪力墙应用混凝土不同，1～5层为C40混凝土，6~13层为C35混凝土，14~18层为C30混凝土。

以PKPM 软件对剪力墙底部倾覆力矩和总结构倾覆力矩比值进行计算，得出结果X 和Y 方向分别为66.9%与54.4%，符合《高层建筑混凝土结构规范》规范要求。

并且，对其混凝土用量与每平方米含钢量进行分析，其混凝土用量为1331.023m 3，含钢量为28.19kg/㎡。

3.2.3少墙框架—剪力墙结构
该结构将会承担超过80%的倾覆力矩，减少了剪力墙数量，与实际工程相结合进行少墙框剪结构布置，柱截面最大为350mm×650mm，以短肢剪力墙为剪力墙，柱截面过大将墙体过分突出，难以满足住宅使用需求，且由于应用一字型短肢剪力墙，该规范不提倡，所以高层住宅不适用少墙框剪结构[7]。

通过上述分析，可知框架剪力墙结构下，50~80%倾覆力矩混凝土及每平方米含钢量最少，达到了最佳经济指标。

3.3 钢材选用
整体项目在设计中，结合钢材价格选择经济性高的钢材。

梁柱方面应用HRB400钢筋，与HRB335相比，价格比为1.07，强度比为1.2。

柱用钢筋HRB400最小配筋率相较于HRB335低0.1%，按构造进行楼层配筋时，以理论而言可寄生钢筋10%，其性价比更高[8]。

并且，除了天面楼板、地下室外，其他楼板均采取冷
轧扭钢筋，是基于HPB300加工而成，价格为钢筋价格与加工费的总和，约为HPB300的1.12倍，而强度比则为1.7143，还可节省钢筋加工费。

而混凝土强度在C35以下时，应用冷轧扭钢筋的最小配筋率为0.2，因此低于C35的混凝土层板构造配筋相同，便于后期进行施工与设计。

3.4 抗震性能分析
以6度地区建立的底层框架部分承受50～80%倾覆力矩框架—剪力墙为主，构建SAP2000计算模型，以框架单元模拟梁柱构建，以非线性分层壳单元模拟剪力墙构建，输入梁线荷载形式，将楼板承受活荷载与恒荷载均导算至梁上。

结合建筑类别应用唐山地震波、兰州地震波等进行计算，地震波时间间距0.02s，选取构造时间20s,主次方向加速度比1:0.85。

经过分析后，唐山地震波与兰州地震波下基底剪力和阵型分解谱基底剪力不同，分别为533KN 和96.6%、361KN 和66%，其平均值与规范要求相符。

并且，剪力墙构件底部集中拉压应力，最大混凝土压应力22Mpa，已经超出C40混凝土19.1Mpa 设计值，却未超出26.8Mpa 标准值，未被压碎破坏。

钢筋最大压应力160N/m ㎡，钢筋未屈服，在其强度范围内。

结 论
综上所述，随着社会经济的发展，对于住宅也提出更多需求，日益稀缺的城市土地资源、土地供给等，推动住宅逐渐转向为高层。

如何在有限土地上保证高层建筑经济性与结构性最佳，已经成为工作者关注重点。

因此，本文以某工程为例，从不同结构经济性、框架剪力墙不同布置、钢材选择及抗震性分析这几方面出发，选择最佳设计方案，以提高设计经济性。

参考文献
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