多塔大底盘结构的分析与优化设计探讨

多塔大底盘结构的分析与优化设计探讨

【摘要】多塔大底盘结构建筑是上世纪90年代出现的一种结构形式[1]，它是将不同功能的各部分建筑同建在一个大的空间底盘上，在底盘上下创造一个较为宽松的商业空间或共享空间，从而满足了用户对建筑多功能的使用需要，并且该结构具有占地面积小、容积率高等显著经济效益。本文以具体的工程为例，介绍了多塔大底盘结构建筑的设计要求，重点针对多塔大底盘结构设计计算进行了阐述，并对大底盘结构地下室的经济性分析和优化设计作了一些简单的探讨，提出了几点经济可行的技术措施建议。

【关键词】多塔大底盘结构；设计要求；计算分析；经济性；优化设计

1.引言

随着我国城市化进程的加速，建筑行业快速发展，各地高层建筑已逐渐向体形复杂、功能多样的综合性方向发展，以满足人们对生活和工作环境的空间需求。而多塔大底盘建筑的不断增多，正是因为它满足了用户对建筑多功能的使用需要。现结合某小区多塔大底盘结构设计过程总结一些设计体会。

2.工程概况和结构体系

某小区由4栋塔式高层住宅楼组成，设有3层裙房、2层地下车库及设备用房，总建筑面积12.59万m2，塔楼总面积为7.77万m2，地下室及裙房总面积约4.82万m2。本工程塔楼结构抗侧力体系为剪力墙结构，地下室塔楼以外部分为框架结构，楼面为现浇混凝土

楼板，基础为高强砼预应力管桩基础，地下室底板为带承台柱帽无梁筏板结构体系。各部位采用的混凝土设计强度等级分别为：地下室底板和外墙为c30，地下框架部分为c40，地下梁板除首层为c35外，其它部分均为c30。

3.多塔大底盘结构的基本设计要求

多塔结构在底盘上一层的平面布置有剧烈变化，上部结构突然收进，属于竖向不规则结构；塔楼与底盘的结合部结构竖向刚度和抗力发生突变，容易形成薄弱部位等。为规范这种结构的设计，结合以往工程经验，总结需要注意的几点基本设计要求：

（1）塔楼对底盘宜对称布置，塔楼群体质心宜接近大底盘的质心，塔楼与底盘质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%，以减少塔楼偏置对底盘的扭转效应。

（2）多塔结构振型复杂，且高振型对结构内力的影响较大，当各塔楼质量和刚度分布不均匀时，结构扭转振动反应较大，因此各塔楼的楼层数、平面布局、竖向刚度及结构类型宜接近。

（3）塔楼与裙房连接体的相连的外围柱，剪力墙从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，在构造上应加强。

（4）抗震设计时，与主楼相连的裙楼抗震等级除符合自身设计要求外，不应低于主楼的抗震等级。

（5）为保证大底盘与塔楼整体工作，底盘屋面板应加厚，不宜小于150mm，板面负弯矩钢筋宜贯通并应加强配筋构造措施；底盘屋面上，下一层的楼板也应加强构造措施。

4.多塔大底盘结构的计算分析

4.1 结构的特点

（1）多塔的风荷载一般结构计算软件处理原则是塔间距大于1m，则按独立的迎风面考虑风荷载来计算，小于1m则自动不算。在计算风荷载时，本工程建筑的各塔楼都有各自独立的迎风面。可以不考虑各塔楼间的相互影响，考虑到各塔楼之间的间距都比较大，也不用考虑风力相互干扰的群体效应。

（2）结合本工程实际情况，每个塔楼都有独立的变形，塔楼的变形仅与该塔楼本身、与底盘的连接关系和底盘的受力特性有关，而各塔楼之间没有直接影响，且各塔楼的高度、刚度相差都比较小，因此，在抗震设计时，可以不考虑塔楼间的相互影响作用。

4.2 结构模型

多塔结构通常采用以下两种计算模型：

（1）离散模型：切分大底盘，将各个塔楼分成完全独立的单塔楼结构分别计算分析。根据规范要求，分塔计算时，当塔楼周边的裙楼超过两跨，分塔至少附带两跨裙楼进行设计。考虑到多塔楼结构振动形态复杂，整体模型计算有时不容易判断结构的合理性；需增加分塔楼模型分析，取两者不利结果进行设计。但是离散模型的切分方法，是不得已而为之的方法，它存在某些显然的不理想性。而在各个塔楼结构体系不一致，或塔楼层数或质量刚度相差很大，或塔楼布置不规则不对称，塔楼间的相互影响不能忽略时，则应考虑采用其它计算分析方法进行补充，例如弹性动力时程分析、弹塑

性静力或动力分析验算等方法。

（2）整体模型：将各塔楼和底盘综合在一起，作为一个整体结构计算分析。

显然，整体模型比离散模型计算分析更简单便利，所以计算时优先采用整体模型。国内流行的有限元satwe软件可实现多塔结构的整体计算，现该软件已更新至可以将多塔结构的大多数控制参数整体计算分塔输出，如位移比（层间位移比）、层间侧移刚度比、层间受剪承载力比、剪重比等。进行全楼构件内力和配筋的计算时，还可以将整体计算的有关数据（如上部结构荷载与刚度）传给基础，接力进行基础设计。

5.大底盘地下室经济性的优化结构设计

近年随着各地的高层建筑的迅速发展，建设规模的日益增大使得工程造价不断提高，在如今物价飞涨和贷款利率不断调高的经济形势下，严格控制工程造价成为建设方的重中之重。由于建筑物地下部分的工程造价占整个项目的35%左右，因此，考虑把地下室这一部分做得安全和经济合理，成为整个项目中的重点。结合本文所举案例的大底盘地下室设计过程中的一些经验，重点介绍设计中为实现各构件配筋量的优化，针对地下室基础、外墙、梁板水平构件、板钢筋所采取的技术措施、受力体系和可行的计算方法等，供同行参考。

（1）根据地质情况，本工程采用的是桩基础，地下室共2层，考虑到大底盘地下室的底板必须要进行抗浮设计，所以决定采用带

承台柱帽无梁筏板的地下室底板结构。在结构受力原理上，其主要特点是根据无梁楼盖的计算原理，利用桩承台大柱帽的客观存在来减少无梁筏板主控内力——柱上板带承台边筏板的支座弯矩，从而减少柱上板带支座弯矩的配筋，充分发挥了柱基承台柱帽承载力和刚度的作用。在初步计算时根据无梁楼盖的经验系数法及承台柱帽无梁筏板的修正系数[4]，对柱上板带跨中弯矩、柱上板带承台边支座弯矩、柱上板带承台柱边支座弯矩等进行了估算，确定了底板厚度为500mm，承台厚度由1.6m增加到1.8m，并用etabs软件建立了分析计算模型求出了各部分最大弯矩值。根据计算，底板面、板底通长筋均为16@200，板底附加筋均为12@200，承台底筋为

22@150.经比较，这种结构相对于基础梁大板式基础而言，更具有经济合理、施工方便、容易保证工程质量的特点。可见带承台柱帽无梁筏板结构体系具有明显的结构经济优势，详细的经济比较和施工优势参见文献[5]。

（2）本工程2层地下室，地下室外墙承受的水平荷载及钢筋混凝土的用量都非常大，如何把这部分的结构设计得经济合理，也是本工程设计中必须考虑的问题。本工程设计中把楼板和基础底板作为地下室外墙的支承点按单跨梁或多跨连续梁计算，按考虑塑性变形内力重分布来计算负弯矩，这样有利于节省竖向钢筋的用量。地下室外墙一般配置较多的竖筋，本工程对受力最大的支座负弯矩处采用跨中直通筋加附加钢筋的方法，既达到节省钢筋的目的，也能满足结构受力要求并抑制裂缝的发展。详细的做法是根据计算简图