A级高度改善型住宅的剪力墙优化设计探讨

时间：2024-12-27

徐超，杨鹏，余飞，薛鹏娜

（深圳市华阳国际工程设计股份有限公司武汉分公司，武汉 430062）

0 引言

超过JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）［1］定义的A级高度，或存在多项不规则的结构，需进行“性能设计”［2］。同等条件下，采取“性能设计”会使土建成本增加10%～20%［3］，故开发商往往将超高层住宅高度限制在A级以内。对于接近A级高度限值的超高层住宅，结构设计师的“固有思路”是基于经济性将分隔墙、外墙均设计为剪力墙，以满足计算指标要求［4］。户内密集的剪力墙限制了业主后期改造的可能性。区别于刚需型住宅，改善型住宅更注重品质，要求建筑面积大、空间灵活、可改造性高［5］。从结构设计的角度而言，赋予住宅更大的空间感和可改造性的直接途径是尽可能减少户内剪力墙，优化梁板布置。这无疑打破了结构设计师的“固有思路”。此外，当下竞争激烈的房地产市场让开发商对住宅产品竞争力的把控愈发严格［6］，使得在最初户型方案设计时便存在结构不规则。种种因素无形中增加了住宅项目结构设计难度，需对A级高度改善型住宅项目剪力墙布置进行优化设计。

文中总结了剪力墙结构优化设计的关键思路，并结合某实际住宅项目，从计算指标、经济性、可改造性三方面分析了5组剪力墙布置方案，以期对A级高度改善型住宅的剪力墙布置提供参考。

1 剪力墙优化设计的关键思路

1.1 方案设计阶段

剪力墙的布置受到户型设计的影响，在方案设计时，应与方案人员密切沟通，对方案进行结构可行性分析［7］：初步布置剪力墙，调整方案不合理之处，尽量避免平、立面不规则，形成更合理的抗侧力体系，为后续施工图设计奠定基础。

1.2 施工图设计阶段

（1）均匀布墙。在一个结构单元中，若剪力墙布置不均匀，个别墙肢承担的地震剪力比例大，当超过设防地震时，该内力集中的剪力墙将首先发生破坏，可能会因此而引发连续坍塌。

（2）少布短肢剪力墙。对于超高层住宅，短肢剪力墙延性差，配筋率高，经济性差，设计时应尽量避免使用。

（3）墙肢对齐、少做半框。剪力墙各墙肢之间受力有联动效果，对齐的墙肢通过连梁或框架墙形成整体，能使两片剪力墙协同工作。比起相同长度独立墙肢或半框架墙肢，墙肢对齐能有效提高结构的抗侧刚度。

（4）优先布置L形剪力墙。一字形剪力墙经济性好，但延性和稳定性差，尤其布置在建筑角部会不利于结构计算满足位移角等指标；翼墙能起到扶壁作用，易于梁纵筋锚固，但其中T形、Z形等形状复杂的翼墙，增加了墙肢的含钢量，L形墙肢相对最优。

（5）沿高度方向均匀变化。剪力墙延高度方向宜均匀、连续，若在中间楼层墙肢减短或开洞过多，可能造成抗侧刚度突变，形成结构薄弱层。

（6）弱中间、强周边。加强距结构刚心最远的剪力墙刚度能有效提高结构的抗扭刚度，减小结构扭转周期，限制“周期比”。户型中心的剪力墙则往往对提高结构整体抗扭刚度的作用有限。

2 工程概况

工程位于武汉市中心城区繁华地段，主塔楼建筑面积约23万m2，含14栋超高层住宅，1栋幼儿园和1栋小学。超高层住宅地下2层，地上46层，其中2层为避难层，大屋面以上含1层构架，标准层层高为3m，避难层层高3.15m，大屋面结构标高为138.9m，小于6度区剪力墙结构A级高度限值140m。工程结构设计基准期和设计使用年限均为50年，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，基本风压为0.35kN/m2，地面粗糙度类别为C类。图1为标准层建筑平面图，四梯四户，由中间分户墙为中线两侧镜像设计，建筑面积左起分别为143、125m2。

图1 标准层建筑平面图

该户型方案的结构设计难点如下：①为南北通透采光好，将平面设计的比较窄，尺寸约为44.2m×18.7m，高宽比为7.43，略大于《高规》建议的限值6，一定程度上削弱了结构纵向的抗侧刚度［8］；②南北两侧建筑功能不同，开间尺寸不一致，导致部分户内纵向剪力墙不能对齐，无法形成最有利的抗侧力体系；③为得到更好的视野，户型角部设计为飘窗，使得对位移角最敏感的角部无法形成L形墙肢；④左右两侧也是飘窗，纵向剪力墙被打断，削弱了结构的扭转刚度。

从结构设计师的“固有思路”出发，设计了基础方案，图2为基础方案剪力墙布置图（对称户型，仅示意左侧布置）：底部1～7F剪力墙混凝土强度等级为C60，7F以上每隔5层降低一级标号直至C30；隔墙几乎均设计为剪力墙，其中外墙W1、分户墙W3、W6，以及横向墙垛Q1墙厚厚均为250mm，其余墙肢厚均为200mm。

图2 基础方案剪力墙布置图

采用盈建科软件（3.0.2版）建模计算，标准层结构模型如图3所示，结构的主要计算指标见表1。结构X向刚重比小于Y向，说明结构X向整体刚度弱于Y向；但综合其他计算指标可以明显看出实际上控制结构Y向刚度对计算更关键，如：X向位移角为1/1491，而Y向位移角为1/1092，Y向仅略小于《高规》限值1/1000，若减少纵向墙肢，则很可能使Y向位移角超过《高规》要求。建筑平面偏扁是造成结构Y向更敏感的主要原因，长宽比为2.36，高宽比超过《高规》建议值。在该户型优化设计时，保证Y向刚度是关键。

图3 基础方案计算模型

表1 基础方案主要计算指标

3 剪力墙优化分析

作为改善型超高层住宅，基础方案中密集的剪力墙显然无法满足业主的改造需求，若客厅与相邻卧室不设剪力墙，即取消剪力墙W7和W4a，形成异形大板，宽5m、长6.9m，住宅空间感和可改造性将显著提升。但与此同时，纵向墙肢的减少，尤其取消剪力墙W4a后，中间户型无纵向对齐的墙肢，将大大降低结构的Y向刚度，需对加强其他墙肢，以保证Y向位移比能满足《高规》要求。由此设计了优化方案1～3。

3.1 剪力墙优化方案

优化方案1：基于基础方案，混凝土强度不变，取消剪力墙W7和W4a，外墙W1、分户墙W3、W6厚由250mm增加到300mm，分隔墙W2和W2a厚由200mm增加到250mm，墙垛Q1厚由250mm增加到350mm，异形大板板厚160mm，如图4所示，计算模型见图5。

图4 优化方案1剪力墙布置图

图5 优化方案1计算模型

优化方案2：若南侧两卧室间无剪力墙，即取消W2和W5，那么户型可改造性更大。基于方案1，将剪力墙W2和W5分别改成截面为650mm×1200mm和800mm×850mm的Z1和Z2，将电梯前室的短肢剪力墙改成截面为400mm×800mm的Z3，形成框架-剪力墙结构，此外，外墙W1、分户墙W3、W6厚由300mm增加到350mm，分隔墙W2a厚由250mm增加至300mm，墙垛Q1厚由350mm增加到400mm，如图6所示，计算模型见图7。

图6 优化方案2剪力墙布置图

图7 优化方案2计算模型

优化方案3：首层若从南侧入户，剪力墙W6的布置将降低入户大厅的高级感。基于方案1，取消W6，隔墙W5厚由200mm增加至250mm，在中间户的次卧与卫生间之间设计为厚200mm的L型剪力墙W9，如图8所示，计算模型见图9。

图8 优化方案3剪力墙布置

图9 优化方案3计算模型

对比方案4：此方案结构布置与方案3一致，仅将外墙W1、分户墙W3、W6和墙垛Q1厚减小到250mm，隔墙W2和W2a厚减小到200mm；此方案用于体现改变墙厚的作用。

3.2 结构计算指标分析

经盈建科软件建模计算，各方案结构计算指标汇总见表2。

表2 各方案结构计算指标汇总

由表2可知：①优化方案1～3的第一平面周期均较基础方案增大，说明取消两片纵向剪力墙W7和W4a后，导致部分墙肢无法对齐，形成半框架，虽然增加了其余纵向剪力墙厚，但结构整体刚度变柔，此外，南侧横向墙垛的减少使X向位移角增大明显；②方案2结构比方案1更柔，这是因为方案2为框架-剪力墙结构，但框架能提供的刚度弱于剪力墙；③方案3的周期和位移角比方案1小，说明其刚度明显优于方案1，符合“强周边、弱中间”的设计思路；④方案4的Y向位移角大于《高规》限值1/1000，底层较多墙肢轴压比大于《高规》限值0.6，最大为0.73，不满足《高规》要求；与方案3对比则说明加强外墙、分布墙和横向墙垛墙厚能有效使结构连成整体，协同受力，提高结构的刚度；⑤前4组方案均满足《高规》要求，并且计算结果接近，尤其位移比和底层剪力墙轴压比几乎一致，可对前4组方案进行经济性比较。

3.3 经济性分析

前4组方案经济性指标汇总见表3，根据武建定［2021］18号文，混凝土和钢筋单价分别取550元/m3和5000元/t。

表3 各方案经济性指标汇总

表3中数据均为盈建科软件统计的单位面积材料用量，未考虑实配钢筋、工期和人工费等因素的影响，另外，《高规》要求6度区框架-剪力墙结构A级高度限值为130m，即该工程若采用框架-剪力墙结构，需进行“性能设计”，故表中方案2的造价在原统计结果上放大了1.15倍。

由表3可知，基础方案土建成本最低，其次是方案3，再次是方案1；其中，方案3土建成本比基础方案高3.63%。

3.4 可改造性分析

方案2取消了客厅与次卧、主卧与次卧之间的两道纵向剪力墙，若连续打通，改造空间最大，以边户为例，可改造的面积约为61.77m2；其次是取消了客厅和次卧剪力墙的方案1，以边户为例，可改造的面积约为46.15m2；方案3边户改造空间与方案1相同，不同处在于增加了中间户次卧与卫生间之间剪力墙，但受限于卫生间降板、管道敷设、防水等因素，业主一般不会对此进行改造，因此实际使用时，其可改造性应与方案1相同；可改造性最差的无疑是剪力墙密集基础方案，餐客厅是其最大独立空间，约31.74m2。

综合考虑，优化方案3成本略高于基本方案，并具有一定的可改造性，此方案最优。