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1、高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化淺析
摘要:結(jié)合榕發(fā)觀湖郡項(xiàng)目,深入研究框架柱、梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題,并結(jié)合細(xì)部構(gòu)造提出了框架梁露梁、框架柱凸角設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,以期為建筑工程設(shè)計(jì)提供思路。
關(guān)鍵詞:高層建筑;框剪結(jié)構(gòu);框架梁;設(shè)計(jì)優(yōu)化
0引言
框架剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑工程中常見的結(jié)構(gòu)形式,常用于抗震建筑、高層建筑中,如辦公建筑、高層住宅建筑等。在框架剪力墻建筑中,由框架梁、剪力墻組成結(jié)構(gòu)支撐體系,框架梁結(jié)構(gòu)厚度較大,局部存在露柱、露梁等問題[1],即房間內(nèi)局部梁、柱凸出,該問題在大戶型建筑中影響較小,但在中小戶型建筑中,由于其面積小、層高小,框剪結(jié)構(gòu)凸出的梁柱不
2、僅占用了室內(nèi)使用空間,而且影響了室內(nèi)裝修和房間布置,降低了框剪結(jié)構(gòu)建筑空間利用率,且一定程度上影響了室內(nèi)空間舒適度和空間格局美觀性。結(jié)合該問題,本文以某建筑工程為例,深入研究了高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略,以期提高住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)性、合理性。
1工程概況
本工程為福州市榕發(fā)觀湖郡項(xiàng)目,位于福州市東二環(huán),毗鄰橫嶼路、化工路,周邊路網(wǎng)密集,交通便利。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì),本工程用地面積為33751m2,總建筑面積為140623m2,規(guī)劃建筑10棟25層住宅和5棟商業(yè)建筑。住宅建筑高度為80m,戶型面積為73.0m2、89m2、98m2、99m2、109m2、115m2和128m
3、2,規(guī)劃736戶,容積率2.8。根據(jù)建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì),本項(xiàng)目以小戶型建筑為主,對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)精細(xì)化要求較高,部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在露梁?jiǎn)栴},占用室內(nèi)空間,且影響居民裝修設(shè)計(jì),因此,本單位結(jié)合工程原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、科學(xué)性。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容包括:2#、3#、5#廚衛(wèi)設(shè)計(jì)優(yōu)化、8~10#樓廚衛(wèi)設(shè)計(jì)優(yōu)化和11#樓柱網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題及對(duì)策
2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題。(1)建筑結(jié)構(gòu)安全和成本問題。本次建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在初步設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上,優(yōu)化室內(nèi)框架梁、剪力墻等結(jié)構(gòu),解決局部露梁、空間布局不合理等問題
4、。但在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)安全和成本控制等問題,防止不合理設(shè)計(jì)影響建筑結(jié)構(gòu)安全性。(2)對(duì)室內(nèi)使用面積變化敏感。由于本項(xiàng)目主要以小戶型住宅為主,居民對(duì)室內(nèi)使用面積變化較為敏感[2],要求結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以保持原使用面積或增加使用面積為導(dǎo)向,盡量避免結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)原使用面積的占用,給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的困難。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題應(yīng)對(duì)。針對(duì)上述問題,工程總承包單位經(jīng)與業(yè)主及設(shè)計(jì)院溝通協(xié)調(diào),明確了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則,并提出合理性應(yīng)對(duì)方案。(1)結(jié)構(gòu)安全和成本問題。本項(xiàng)目中,為保障建筑結(jié)構(gòu)安全,合理控制項(xiàng)目建設(shè)成本,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為主,盡量避免調(diào)整基礎(chǔ)結(jié)
5、構(gòu)。室內(nèi)框架梁、剪力墻結(jié)構(gòu)調(diào)整以微調(diào)為主,降低大幅度調(diào)整對(duì)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)安全、造價(jià)成本的影響,確定細(xì)部設(shè)計(jì)方案后進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案造價(jià)測(cè)算,對(duì)比設(shè)計(jì)優(yōu)化前后造價(jià)情況,提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性、合理性。(2)以空間增加為導(dǎo)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),為滿足業(yè)主、居民對(duì)建筑結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和使用面積保持(或增加)的要求,工程總承包單位協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)院提出多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,對(duì)比分析各方案設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和使用面積變化情況,經(jīng)對(duì)比后合理選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,滿足業(yè)主、居民要求,提高業(yè)主項(xiàng)目建設(shè)收益和居民居住舒適性。
3建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容分析
3.1廚房框架梁設(shè)計(jì)優(yōu)化。原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,廚房、煙井處為框
6、架梁,露出高度為200mm,在廚房結(jié)構(gòu)形成凸角(如圖1所示),給居民安裝抽油煙機(jī)和櫥柜造成一定的困難。影響居民裝飾裝修效果。針對(duì)該問題,工程總承包單位提出了優(yōu)化方案:(a)增設(shè)剪力墻。通過延長(zhǎng)該部位隔墻(如圖2所示),使其成為剪力墻結(jié)構(gòu),將框架梁設(shè)置外墻部位,在保障建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下,改善框架梁露梁?jiǎn)栴}。(b)框架梁微調(diào)。在不調(diào)整框架梁的前提下,將煙道由左下角轉(zhuǎn)移至左上角,框架梁下移200mm,按梁墻一體設(shè)計(jì),使廚房梁、墻平齊(如圖3所示),無露梁?jiǎn)栴},并解決了改善露梁?jiǎn)栴}對(duì)抽油煙機(jī)安裝的影響。同時(shí),去掉廚房與玄關(guān)處隔墻,使之成為開放型廚房,減少隔墻占用使用面積,增強(qiáng)室內(nèi)各功能分區(qū)的通暢
7、性。調(diào)整廚房隔墻后,為進(jìn)一步優(yōu)化廚房布局,調(diào)整廚房與陽臺(tái)之間剪力墻位置,將陽臺(tái)橫向長(zhǎng)度由2000mm調(diào)整為1500mm,增加廚房使用空間500mm(寬度),增加廚房使用面積0.2m2,整棟建筑增加室內(nèi)面積9.6m2。經(jīng)調(diào)整后,廚房、陽臺(tái)、玄關(guān)等方正無凸角。綜合上述兩個(gè)方案,方案a方案中剪力墻在首層無法落地,需在首層增設(shè)剪力墻,影響原首層入戶門廳結(jié)構(gòu)和樁基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致建筑造價(jià)上升,經(jīng)測(cè)算,每棟建筑增加工程造價(jià)約2.5萬元。同時(shí),由于原隔墻變?yōu)榧袅Y(jié)構(gòu),導(dǎo)致居民后期裝修裝飾施工受限;方案b中結(jié)構(gòu)梁不需調(diào)整,通過框架梁偏位調(diào)整,解決了框架梁露梁?jiǎn)栴},且增加了室內(nèi)使用面積,室內(nèi)布局更為合理。經(jīng)各方
8、討論研究,采用方案b作為實(shí)施方案。
3.2衛(wèi)生間框架梁設(shè)計(jì)優(yōu)化。原設(shè)計(jì)中,衛(wèi)生間與廚房之間部位存在框架主梁(如圖4所示),框架梁向衛(wèi)生間內(nèi)凸出形成凸角,馬桶位于凸角下,影響居民空間使用。為改善該問題,工程總承包單位提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案:由剪力墻取代框架梁和平面布局優(yōu)化方案。(a)剪力墻取代框架梁。通過以剪力墻結(jié)構(gòu)取代框架梁(如圖5所示),改善框架梁露梁?jiǎn)栴},衛(wèi)生間及廚房平面布置不變,但需要增加隔墻厚度并相應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)體系。(b)平面布置優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)體系不變的情況下,將衛(wèi)生間隔墻與臥室隔墻對(duì)齊,廚房空間增加后增加儲(chǔ)物功能。衛(wèi)生間去掉采光窗(如圖6所示),優(yōu)化衛(wèi)具布局,調(diào)換面盆及馬桶位置,在
9、滿足衛(wèi)生間器具功能使用要求的前提下,最大限度提高平面布局合理性。在衛(wèi)生間框架梁設(shè)計(jì)優(yōu)化中,方案a結(jié)構(gòu)體系變化造成混凝土、配筋用量增加,需同步調(diào)整樁基結(jié)構(gòu),調(diào)整幅度較大。同時(shí),由于剪力墻結(jié)構(gòu)體系變化造成隔墻厚度增加,壓縮了室內(nèi)過道空間,導(dǎo)致室內(nèi)使用空間減少;方案b中,原財(cái)股窗面狹小,尤其是在安裝完窗框后采光面積難以滿足采光量補(bǔ)充的作用,故可取消。將框架梁和隔墻位置調(diào)整后,框架梁凸角部位向廚房?jī)?nèi)凸出,梁下空間作為廚房?jī)?chǔ)物空間,拓展了廚房功能空間,且衛(wèi)生間面積滿足最小2.5m2使用面積要求,符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求,故該位置采用方案b。
3.3框架柱調(diào)整優(yōu)化。本工程商業(yè)建筑中,框架剪力墻角柱
10、、邊柱向內(nèi)形成凸角,影響商業(yè)建筑平面布置和通行安全,業(yè)主提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求。經(jīng)與業(yè)主溝通,在結(jié)構(gòu)體系保持不變的情況下,保持一定截面的框架剪力墻角柱、邊柱有利于結(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性,過度減小柱截面將導(dǎo)致工程成本大幅增加,并影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性能,因此,在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上以適當(dāng)縮小邊柱、角柱凸出部位截面面積為主,通過增加型鋼、提高混凝土強(qiáng)度和改變柱截面尺寸實(shí)現(xiàn)框架柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化,即不改變?cè)Y(jié)構(gòu)體系前提下,仍采用框架剪力墻柱結(jié)構(gòu),保證框架二道防線作用,保證合理框架傾覆力矩占比,以滿足建筑結(jié)構(gòu)安全和抗震性能實(shí)現(xiàn)要求。(a)以型鋼柱取代框架柱。將原框架柱變更為型鋼柱,在保障結(jié)構(gòu)抗震性能和承載力的基礎(chǔ)上,最大限度減小
11、凸出柱體體積。(b)提高混凝土強(qiáng)度。在保留合理柱截面尺寸和柱剛度的情況下,通過提高框架柱混凝土強(qiáng)度和配筋,混凝土強(qiáng)度由C30提高為C40,配筋由1.0調(diào)整為1.2,可滿足原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗剪力和承載力性能要求。方案a中,型鋼柱施工難度較大,且工程造價(jià)較高,施工質(zhì)量控制難度較大[3],經(jīng)測(cè)算,如將邊柱和角柱全部更換為型鋼柱,則單位造價(jià)增加2.64元/m2,不利于建筑工程造價(jià)控制,施工進(jìn)度難以保障。采用方案b時(shí),需對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試配,并適當(dāng)調(diào)整配筋密度,工程造價(jià)增加約0.2元/m2,遠(yuǎn)小于方案a,且對(duì)施工進(jìn)度影響較小,故采用方案b作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。
4結(jié)語
本工程中,經(jīng)業(yè)主、專家組審批同意,設(shè)計(jì)單位對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體調(diào)整。經(jīng)測(cè)算分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)后,建筑抗震性能符合工程設(shè)計(jì)目標(biāo),工程造價(jià)整體變化幅度較小,使用面積保持不變或增加,未出現(xiàn)擠占室內(nèi)面積的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)布局更為合理,室內(nèi)空間得到充分利用,滿足業(yè)主對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化預(yù)期目標(biāo)要求。
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