高层建筑框剪结构设计优化

时间：2024-07-28

林海

（福建建工集团有限责任公司，福建福州 350001）

0 引言

框架剪力墙结构是建筑工程中常见的结构形式，常用于抗震建筑、高层建筑中，如办公建筑、高层住宅建筑等。在框架剪力墙建筑中，由框架梁、剪力墙组成结构支撑体系，框架梁结构厚度较大，局部存在露柱、露梁等问题[1]，即房间内局部梁、柱凸出，该问题在大户型建筑中影响较小，但在中小户型建筑中，由于其面积小、层高小，框剪结构凸出的梁柱不仅占用了室内使用空间，而且影响了室内装修和房间布置，降低了框剪结构建筑空间利用率，且一定程度上影响了室内空间舒适度和空间格局美观性。结合该问题，本文以某建筑工程为例，深入研究了高层建筑框剪结构设计优化策略，以期提高住宅建筑结构设计科学性、合理性。

1 工程概况

本工程为福州市榕发观湖郡项目，位于福州市东二环，毗邻横屿路、化工路，周边路网密集，交通便利。根据规划设计，本工程用地面积为33751m2，总建筑面积为140623m2，

规划建筑10 栋25 层住宅和5 栋商业建筑。住宅建筑高度为80m，户型面积为73.0m2、89m2、98m2、99m2、109m2、115m2和128m2，规划736 户，容积率2.8。

根据建筑工程规划设计，本项目以小户型建筑为主，对室内设计精细化要求较高，部分结构设计存在露梁问题，占用室内空间，且影响居民装修设计，因此，本单位结合工程原结构设计细部进行优化设计，提高室内结构设计合理性、科学性。本次结构设计优化内容包括：2#、3#、5#厨卫设计优化、8～10#楼厨卫设计优化和11#楼柱网设计优化。

2 结构设计难点问题及对策

2.1 结构设计难点问题

（1）建筑结构安全和成本问题。本次建筑结构设计主要是在初步设计图纸的基础上进行优化，在不改变原结构体系的基础上，优化室内框架梁、剪力墙等结构，解决局部露梁、空间布局不合理等问题。但在结构优化设计中，需要综合考虑建筑结构安全和成本控制等问题，防止不合理设计影响建筑结构安全性。

（2）对室内使用面积变化敏感。由于本项目主要以小户型住宅为主，居民对室内使用面积变化较为敏感[2]，要求结构优化设计方案以保持原使用面积或增加使用面积为导向，尽量避免结构优化设计对原使用面积的占用，给结构设计带来一定的困难。

2.2 结构设计难点问题应对

针对上述问题，工程总承包单位经与业主及设计院沟通协调，明确了结构优化设计原则，并提出合理性应对方案。

（1）结构安全和成本问题。本项目中，为保障建筑结构安全，合理控制项目建设成本，结构优化设计主要以上部结构优化设计为主，尽量避免调整基础结构。室内框架梁、剪力墙结构调整以微调为主，降低大幅度调整对本项目结构安全、造价成本的影响，确定细部设计方案后进行结构方案造价测算，对比设计优化前后造价情况，提高结构优化方案的经济性、合理性。

（2）以空间增加为导开展结构设计。结构优化设计时，为满足业主、居民对建筑结构布局优化和使用面积保持（或增加）的要求，工程总承包单位协调设计院提出多种结构优化设计方案，对比分析各方案设计优势和使用面积变化情况，经对比后合理选择结构优化设计方案，满足业主、居民要求，提高业主项目建设收益和居民居住舒适性。

3 建筑结构优化设计内容分析

3.1 厨房框架梁设计优化

原结构设计中，厨房、烟井处为框架梁，露出高度为200mm，在厨房结构形成凸角（如图1 所示），给居民安装抽油烟机和橱柜造成一定的困难。影响居民装饰装修效果。针对该问题，工程总承包单位提出了优化方案：

图1 厨房框架梁结构示意图

（a）增设剪力墙。通过延长该部位隔墙（如图2 所示），使其成为剪力墙结构，将框架梁设置外墙部位，在保障建筑结构抗震性能的前提下，改善框架梁露梁问题。

图2 增设剪力墙结构示意图

（b）框架梁微调。在不调整框架梁的前提下，将烟道由左下角转移至左上角，框架梁下移200mm，按梁墙一体设计，使厨房梁、墙平齐（如图3所示），无露梁问题，并解决了改善露梁问题对抽油烟机安装的影响。同时，去掉厨房与玄关处隔墙，使之成为开放型厨房，减少隔墙占用使用面积，增强室内各功能分区的通畅性。调整厨房隔墙后，为进一步优化厨房布局，调整厨房与阳台之间剪力墙位置，将阳台横向长度由2000mm 调整为1500mm，增加厨房使用空间500mm（宽度），增加厨房使用面积0.2m2，整栋建筑增加室内面积9.6m2。经调整后，厨房、阳台、玄关等方正无凸角。

图3 框架梁微调和厨房布置优化示意图

综合上述两个方案，方案a 方案中剪力墙在首层无法落地，需在首层增设剪力墙，影响原首层入户门厅结构和桩基基础结构，导致建筑造价上升，经测算，每栋建筑增加工程造价约2.5 万元。同时，由于原隔墙变为剪力墙结构，导致居民后期装修装饰施工受限；方案b 中结构梁不需调整，通过框架梁偏位调整，解决了框架梁露梁问题，且增加了室内使用面积，室内布局更为合理。经各方讨论研究，采用方案b 作为实施方案。

3.2 卫生间框架梁设计优化

原设计中，卫生间与厨房之间部位存在框架主梁（如图4 所示），框架梁向卫生间内凸出形成凸角，马桶位于凸角下，影响居民空间使用。为改善该问题，工程总承包单位提出结构优化方案：由剪力墙取代框架梁和平面布局优化方案。

图4 厨房与卫生间处框架梁示意图

（a）剪力墙取代框架梁。通过以剪力墙结构取代框架梁（如图5 所示），改善框架梁露梁问题，卫生间及厨房平面布置不变，但需要增加隔墙厚度并相应调整结构体系。

（b）平面布置优化。在结构体系不变的情况下，将卫生间隔墙与卧室隔墙对齐，厨房空间增加后增加储物功能。卫生间去掉采光窗（如图6 所示），优化卫具布局，调换面盆及马桶位置，在满足卫生间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。

图6 框架梁微调和卫生间布局调整

在卫生间框架梁设计优化中，方案a 结构体系变化造成混凝土、配筋用量增加，需同步调整桩基结构，调整幅度较大。同时，由于剪力墙结构体系变化造成隔墙厚度增加，压缩了室内过道空间，导致室内使用空间减少；方案b 中，原财股窗面狭小，尤其是在安装完窗框后采光面积难以满足采光量补充的作用，故可取消。将框架梁和隔墙位置调整后，框架梁凸角部位向厨房内凸出，梁下空间作为厨房储物空间，拓展了厨房功能空间，且卫生间面积满足最小2.5m2 使用面积要求，符合结构优化设计要求，故该位置采用方案b。

3.3 框架柱调整优化

本工程商业建筑中，框架剪力墙角柱、边柱向内形成凸角，影响商业建筑平面布置和通行安全，业主提出结构优化要求。经与业主沟通，在结构体系保持不变的情况下，保持一定截面的框架剪力墙角柱、边柱有利于结构安全和结构经济性，过度减小柱截面将导致工程成本大幅增加，并影响建筑结构抗震性能，因此，在原结构设计上以适当缩小边柱、角柱凸出部位截面面积为主,通过增加型钢、提高混凝土强度和改变柱截面尺寸实现框架柱结构优化，即不改变原结构体系前提下，仍采用框架剪力墙柱结构，保证框架二道防线作用，保证合理框架倾覆力矩占比，以满足建筑结构安全和抗震性能实现要求。

（a）以型钢柱取代框架柱。将原框架柱变更为型钢柱，在保障结构抗震性能和承载力的基础上，最大限度减小凸出柱体体积。

（b）提高混凝土强度。在保留合理柱截面尺寸和柱刚度的情况下，通过提高框架柱混凝土强度和配筋，混凝土强度由C30 提高为C40，配筋由1.0调整为1.2，可满足原结构设计抗剪力和承载力性能要求。

方案a 中，型钢柱施工难度较大，且工程造价较高，施工质量控制难度较大[3]，经测算，如将边柱和角柱全部更换为型钢柱，则单位造价增加2.64元/m2，不利于建筑工程造价控制，施工进度难以保障。采用方案b 时，需对混凝土强度进行试配，并适当调整配筋密度，工程造价增加约0.2 元/m2，远小于方案a，且对施工进度影响较小，故采用方案b 作为结构优化方案。