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