现代住宅建筑结构设计

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195现代住宅建筑结构设计探讨
邱玉钗　厦门市住宅设计院有限公司
摘 要：住宅是是指专供居住的房屋。

住宅建筑设计应“以人为本”，满足人们物质与精神的需求，贯彻节约用地、节约能源、节约原材料的基本国策，要求结构设计人员开拓设计思维、创新设计方法，合理运用新材料、新工艺。

关键词：住宅建筑；结构设计；推广应用
1 住宅建筑对结构设计的新要求
1.1 概念设计
随着土地、能源和材料价格的持续上涨，开发商为追
求利益最大化，通常要求设计单位建筑方案必须既节约材料
又安全可靠，而结构设计的指导思想是“安全、适用、经
济”，二者有异曲同工之处。

要从根本上做到这一点，不只
是抽钢筋、减水泥的问题，结构设计人员必须把握好概念设
计。

所谓概念设计一般指不经数字技术，尤其在一些难以做
出精确、理性分析或在规范中难以规定的问题中依据整体结
构体系与分体系之间的力学关系，结构破坏机理、震害、试
验现象和工程经验所获得的基本设计原则及设计思想，从整
体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观
控制。

这主要依靠结构工程师自身的素质、经验和创造力，
有效地对结构体系进行构思、比较与选择，运用概念设计也
使得结构设计思路得到拓宽。

以抗震设计为例，如果结构设
计不适宜抗震，那么再精密的结构设计计算也无所适从。

综
上所述，合理运用概念设计，所得方案往往概念清晰，定性
准确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好
的经济可靠性。

1.2 住宅高层化
高层住宅建筑（十层及十层以上）与其它高层建筑使用
目的不同，它是以居住功能需求为设计目的，例如日照、天
然采光、自然通风、层高、舒适度等。

一梯多户的建筑如何
让更多的户型能够南向采光，明厨明卫，如何设置共享的空
中庭院使住户不出门即可感受室外的大自然景观，这些问题
促使设计师们开始不断尝试新的设计方案。

于是高层住宅建
筑的结构体型变得日趋复杂，如平面的凹凸、竖向收进与悬
挑、连体结构、大底盘多塔、错层等等。

结构设计师要解决
这些复杂的技术难题，必须依靠结构设计理论的不断发展和
创新，以及结构计算分析软件的开发和应用。

1.3 户型个性化
每个业主具有不同的思维方法和审美意识，不同住户对
建筑空间有不同的要求。

在结构设计上应充分考虑让业主拥
有调整建筑内部空间的便利，楼板的设计，要考虑隔墙位置
的调整；竖向受力构件的布置时，应使其与房间隔墙位置相
结合，避免在房间内部其他部位出现。

这样既在开间和进深
两个方向保留了较大的灵活性，又利用了承重墙良好的隔声
性，也体现人性化设计理念。

2 住宅建筑结构设计的特点
2.1 平、立面的适用、美观
图 1 为两梯六户的纯矩型板式住宅楼。

其中四套户型的
房间采光不佳，厨房没有生活阳台。

该住宅户型，卧室光线
差，使用不便、也不节能，平、立面造型单调乏味欠美观，
但结构整体性较好，计算结果容易控制在规范的要求范围
内。

图 2 为一梯六户的新型板式住宅楼。

其立面具有点式楼
的凹凸变化，造型较新颖；同时平面上兼具板式楼采光较好
的优点——主要房间为南向采光，而间接采光无阳台只有两
户，在结构计算中，主要有以下两个不同点：
(1) 图 2 结构整体计算周期比图 1 平面结构周期大
(2) 图 2 两侧有部分连梁截面强度出现超限。

其原因主要是由于平面凹凸不规则造成结构刚度不均
匀，形成一定的扭矩而造成的。

为了克服这种现象，在结构
整体计算方面采用以下的方案措施：把长条形平面化为两个
独立的结构单体，如图 3 单元(A)、单元(B)所示。

这样虽然平
面还是凹凸不平，但计算长度缩减了一半，扭矩大为减弱，
整体计算全部通过。

通过以上两例说明，对现在种类繁多的
建筑平、立面，乃至新型典型的板式楼、连排式楼，都可以
化过长的整体为简单的独立单元体进行整体计算，以解决整
体计算扭矩过大的问题。

2.2 局部构造突出为住宅功能服务
图1、图 2 两平面图中都标有起居室，其功能不单为了
方便休闲，还有一个重要功能，兼具家庭健身房，它的平面
尺寸可容纳一个家庭健身器。

为了满足建筑功能的需求，既
达到健身的目的又不造成振动对下层住户的影响，我们把起
居室与周边剪力墙结构看成一个受力单元，在这个受力单元
上，把这块局部楼板进行结构处理，即采用带空心的现浇楼
板(薄壁管现浇混凝土空心楼板)，这也是结构构件新技术的
合理应用。

此局部楼板厚达 200～300mm，楼板四周设有边
梁，结构平面布置见图 3 单元(A)、单元(B)所示。

这样楼板既
隔音防振，又不失去楼板的刚度，充分发挥适用功能性。

总之，无论建筑造型如何多样化、复杂化，结构方案的
确定都应具体情况具体分析，从整体到局部加以简化，使之
整体受力明确，局部构造具体，特殊的受力部位特殊处理，
使建筑精巧的构思、创新的造型真正体现出它的完美性和理
想性。

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2.3 异形柱框架结构
2.3.1 异形柱框架结构的基本形式
在结构设计中，一般框架结构的柱采用矩形柱(除非建筑专业有特殊要求可采用其他截面形式，如圆形、梯形等)，矩形柱有良好的受力性能，计算理论比较完善，传力途径明确。

但矩形柱用在住宅建筑，尤其是居住建筑中，随着建筑高度的增加，柱截面也随之增大，给房屋内部的布置及使用造成诸多不便，图 4 为一栋十一层现浇钢筋混凝土框架结构住宅喽（非抗震区），采用矩形柱为 650×650mm ，外墙190mm 厚与柱外皮平，内墙 190mm 及 120mm 厚，对于每一户柱在室内突出部位占掉使用面积的 0.5%，加上后期住房的装修，造成使用面积的浪费。

近年来采用的异形柱框架结构就可以很好解决这个问题(图 5)。

所谓异形柱框架就是根据墙体布置情况，将柱截面做成“L ”“T ”“+”形，也有采用“Z ”形。

“L ”形多用于墙的转角部位，“T ”形截面多用于纵横墙交接处，柱肢宽度与墙体相同的厚度，使得柱表面与墙体表面平齐。

2.3.2 异形柱框架结构的计算
由于异形柱截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按砼设计规范计算，特别是在框剪，框筒结构中，对 6 度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ 类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。

此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。

而在水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。

在进行内力计算和配筋计算时，应选用带有异形柱计算功能的计算软件，如建研院的 TAT 、SATWE 程序。

PKPM 系统实现了异形柱的布置、计算、施工
图设计。

在异形柱布置时应注意偏心，转角的应用；在 TAT 或 SATWE 计算时，要了解异形柱的刚度计算、刚域计算、整体内力到柱肢内力的分配计算，尤其是轴力的分配计算问题、以及异形柱配筋计算；在绘施工图时，要了解异形柱的构造要求，角点筋的配置，架立分布筋的设置等。

3 住宅建筑中结构的技术推广应用
3.1 钢结构住宅建筑的推广
近年来，国家大力提倡发展节能省地型住宅，不断提升住宅产品的科技含量。

而钢结构建筑具有节能、环保、抗震性能好、钢材可循环再利用，在住宅建筑中应用钢结构的优势主要体现在以下几个方面：
（1）能合理布置功能区间
利用钢材强度高的特点，设计可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便，创造开放式住宅并可以提高使用面积率 5％～8％,。

而传统结构（砖混结构、砼结构）由于材料性质限制了空间布置的自由，以往开间一般常在 3.0米、3.3 米、3.9 米，如果过大，就会造成板厚、梁高、柱大的现象，不但影响美观，而且自重增大，增加造价，业主在二次装饰时，经常由于自行改变墙体位置，增加安全隐患。

（2）自重轻、抗震性能好
相同建筑面积的建筑楼层，钢结构自重轻，根据比较，六层轻钢结构住宅的重量，仅相当于四层砖混结构住宅的重量。

而且钢材具有延性，能比较好的消耗地震带来的能量，所以抗震性能好，结构安全度高。

符合节能建筑的要求。

（3）施工方便、工期短
钢结构构件，可以实行工厂化生产，现场安装。

由于现场作业量小，对周围环境污染少，同时，施工机械化程度高，加快了施工速度。

根据统计，同样面积建筑物，钢结构比砼结构工期，可缩短三分之一，而且可节省支模材料。

（4）综合造价低
由于自重轻（约为混凝土结构的一半），基础费用降低，总体用料减少，直接成本降低，建设工期短，间接费又可减少，所以综合造价低。

（5）符合住宅产业化和可持续发展的要求
钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，提高住宅产业化的水平。

综上所述，钢结构是适合创新的住宅结构体系。

钢结构可随着人们审美观的不同，使用功能要求的不同，设计各种造型、尺度、空间的新型房型。

生产厂家能高精度、高质量、高速度完成，使建筑物达到既美观又经济的效果。

厦门市抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度0.15g,，属地震烈度较高的地区，又是台风多发地区，必须大力倡导结构抗震的性能化设计，推进基于性能的抗震设计方法，推广钢结构和组合结构等抗震性能优良的结构体系，增强建筑的延性。

从政府来讲，应由过去的限制变成鼓励、积极推广，钢结构有很大的优势，抗震性能好，具有良好的空间感，外形变化多样化，能合理布置功能区间。

从技术方面讲，把积极推广应用钢结构作为一项技术政策。

而钢结构既不会污染环境，又能实现住宅的多样化，具有极大的发展空间。

参考文献:
[1]徐培福主编.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社，2005。