来源：《高层混凝土结构优化设计方法探讨》《建筑结构》

剪力墙结构是一种常见结构形式，特别是在量大面广的高层住宅中广泛应用。剪力墙结构由于梁和板的跨度不大，梁和板的优化空间相对较小。下面从墙肢布置、结构计算参数取值、性能控制指标( 如位移角) 三个方面讨论剪力墙结构的优化方法。

墙肢布置的优劣直接从宏观上影响整个建筑结构的力学性能和经济指标，因此优化布置是进行剪力墙结构优化设计的关键。剪力墙布置宜遵循如下四点原则。

1. 1 墙肢对齐布置

剪力墙构件作为高层剪力墙结构主要的抗侧移构件，进行结构设计时应充分发挥墙肢间的联动效用。因此进行结构布置时，同一方向的墙肢宜均匀布置，在平面上形成多道联肢剪力墙协同工作，尽量避免剪力墙错位布置。如图 1 所示的某高层住宅结构平面 Y 向存在 4 片墙肢刚好错位布置的情况( 图1 中框起部分的墙肢) 。稍微调整该墙肢的位置，可形成 2 道联肢剪力墙，则对齐布置的计算模型局部侧向刚度可增加

1. 2 墙肢均匀布置

高层建筑结构在满足承受竖向荷载和结构抗侧移刚度的需要外，还应具有一定的抗扭转刚度。具体设计过程中，可通过适当加强周边剪力墙以及外圈梁，调整结构刚度中心与结构平面几何形心、质量中心的 相 对 位 置，尽 量 做 到“三 心”重 合 的 理 想效果。

1. 3 避免使用短肢剪力墙或长墙

由于短肢剪力墙的延性较差，且构造要求高，钢筋用量较大，结构布置时应避免使用短肢剪力墙。墙肢长度过长，刚度过大，会造成地震力比较集中。剪力墙结构中如果存在少量长墙，地震作用下的楼层剪力主要由这部分长墙承受，发生超烈度地震时该部分墙肢由于承受巨大的地震力往往首先破坏，由于其他墙肢的承载力较弱，容易造成剪力墙墙肢由强到弱各个击破的破坏形式，最终导致结构倒塌。因此，进行剪力墙结构布置时宜使各墙肢刚度接近，尽量避免使用长墙。

1. 4 优先采用带翼缘墙

L 形、T 形的剪力墙因墙肢端部的翼墙起到扶壁作用，稳定性较好，同时也比较容易满足框架梁搭接在剪力墙端部时钢筋的锚固长度要求，进行结构布置时宜优先采用，L 形、T 形墙的翼墙长度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼 墙 长 度 越短，则 配 筋越少。

对剪力墙结构钢筋用量敏感的参数包括: 周期折减系数、连梁刚度折减系数、梁刚度增大系数、考虑压筋影响的梁配筋计算、考虑楼板作为翼缘的梁配筋计算、楼板计算假定、次梁的抗震等级等。限于篇幅，以下选取周期折减系数、楼板计算假定和次梁的抗震等级进行分析。

2. 1 周期折减系数

周期折减系数不影响结构刚度，但影响结构的地震效应大小。周期折减系数可通过软件计算得到，如采用 GSSAP 软件分别计算有填充墙模型和无填充墙模型的第一周期，以这两个周期的比值作为折减依据。

某 12 层剪力墙结构三维计算模型如图 2 所示，该结构填充墙比较多，计算得到的周期折减系数为0. 95。某 32 层剪力墙结构三维计算模型如图 3 所示，该结构填充墙比较少，计算得到的周期折减系数为 1. 0。两模型的计算结果见表 1。

工程实践表明，周期折减系数每下降 0. 1，基底地震剪力增加 3% ～ 10% ，地震力的增大将会导致配筋增大。因此，周期折减系数应慎重选取，一般剪力墙住宅结构可取 0. 95。也可通过计算结构( 考虑填充墙刚度) 的基本周期来确定。

2. 2 楼板计算假定

在结构整体计算中，一般情况下楼板可采用刚性板或弹性板假定。刚性板假定下可通过梁刚度放大系数考虑楼板的刚度贡献，而弹性板假定下，楼板与梁共同工作，较真实地考虑了楼板面外刚度的贡献。采用不同的楼板假定所计算得到的梁板内力分配不同，从而梁板的计算配筋也不同。

某 32 层剪力墙住宅结构，其标准层结构平面布置图如图 4 所示，楼板分别采用刚性板( 中梁刚度放大系数取 1. 8) 和弹性板( 壳元) 假设进行计算，得到的结构第一周期分别是 2. 784s 和 3. 025s，可见，基于弹性板假定的结构整体刚度比刚性板假定大，基于弹性板假定计算结果进行设计比基于刚性板假定要节省钢材，每平方米梁钢筋用量减少约 2kg。

2. 3 次梁的抗震等级

采用常用设计软件建模时，与墙相连的梁的建模一般按主梁输入，是否按次梁设计由软件判断或工程师指定。次梁是非抗震构件，若按抗震构件设计将提高梁的最小配筋率和其他构造要求。当前全国各地对次梁的判断有如下 5 种选择( 按次梁数量从少到多排列) : 1) 所有与墙肢垂直相连的梁判断为框架梁; 2) 有一端与墙垂直相连的梁判断为次梁; 3) 两端与墙垂直相连的梁判断为次梁; 4) 一端与墙方向一致，另一端搭在梁上的梁判断为次梁;5) 一端与墙方向一致，另一端不论如何搭接均判断为次梁。目前多数采用第 3 种情况，即两端与墙垂直相连的梁判断为次梁。

不同层间位移角的材料用量比较

某品字形高层住宅，结构总高度为 97. 5m，地下1 层，地上 32 层，首层层高 4. 5m，标准层层高 3m，结构平面布置如图 5 所示。本工程位于 7 度区，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，基本风压 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度为 B 类。

通过修改抗侧力构件的截面尺寸和局部调整结构布置，使得结构在多遇地震作用下的最大层间位移 角 分 别 满 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求。

由表 2 可知，层间位移角按 1 /1 300 的限值控制的钢筋用量最少，层间位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少。可见，结构刚度越大，剪力墙用钢量越大，梁用钢量越小，但混凝土用量越大。比较材料总造价，则层间位移角限值越大越节省材料用量; 若执行《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010) ( 简称高规) ，则层间位移角接近1 /1 000 限值时材料用量最节省; 若执行广东省高规 ，则层间位移角接近 1 /800 限值时材料用量最节省。

摘要：在建筑工程施工中，为有效提升项目建设经济效益，很多开发商将含钢量定为建筑结构设计中的限额指标。对此，本文首先对含钢量实际统计分析方法进行介绍，然后对高层住宅结构设计中含钢量的影响因素进行分析，并对高层住宅结构设计中含钢量控制方法进行探究，以期为实际工程结构设计提供借鉴。

关键词：高层住宅结构;含钢量;影响因素;控制要点

在城市规划建设中，城市开发土地用地资源日渐紧张，因此，高层建筑建设数量不断增多。在高层住宅结构设计中，首先需保证建筑质量和安全性，然后通过优化设计，降低住宅结构含钢量，能够有效降低施工成本。由此可见，对高层住宅结构设计中含钢量控制要点进行研究意义重大。

2 钢材含量的实际统计分析

在高层住宅结构设计中，含钢量是十分重要的经济指标。含钢量指标的计算方法为总用钢量除以建筑面积，单位为kg/m2。在砌体结构中，钢筋用量比较少;而在混凝土结构中，钢筋用量较多。在钢筋混凝土结构中，钢筋为骨架部分，梁、板、柱是钢筋混凝土结构的主要受力构件。以6度区为例，不同层数的住宅标准层含钢量大致为：多层砌体结构：20kg/m2，多层框架结构：30 kg/m2，小高层剪力墙结构：35kg/m2，高层剪力墙结构：40kg/m2。

3 高层住宅结构设计中含钢量影响因素

3.1 平面体型的规则性和均匀性

建筑平面体形均匀性以及规则性会对高层建筑工程含钢量产生较大影响，在建筑平面体形中，平面刚度以及内收程度均会对XY轴动力特性产生较大影响。如果抗侧力构件布置比较合理，则结构质量中心以及刚度中心比较接近，有利于将结构位移比控制在允许范围内，有利于结构的抗震性能。

在设计高层尤其是超高层户型平面时，高宽比控制是建筑师必须予以高度重视的因素，根据相关规定，如果抗震设防区为6度以及7度，则框剪结构、剪力墙结构高宽比不宜大于6，在抗震超限审查中，对于高宽比超限没有明确规定，但是如果高宽比超限，则应采用适宜的结构措施，可能会造成项目建设成本增加。

3.3 合理判断转换层

转换层所需配筋量一般为两到三个标准层配筋量的总和，在高层住宅结构设计中需合理判断转换层。某楼层出现转换构件，该楼层是否判定为转换层，主要依据是否形成薄弱层或者软弱层，以及框支剪力墙数量（具体问题具体分析）。如某结构楼层存在个别框支剪力墙，经判断可不作为转换层，则该结构不必执行复杂高层相关规定，仅对转换构件执行规范相应措施，或者抗震等级（按照非复杂高层确定的抗震等级）提高一级，或对该构件做中震下的性能设计。另外，还应注意，对于地下转换高层建筑工程结构以及地面转换层高层建筑结构，在具体的设计中应做好合理区分。

在高层建筑工程结构设计时，在满足建筑立面以及使用净高设计要求的基础上，通过降低层高，可缩小竖向构件长度以及体积，同时还能够降低基础结构、桩基施工成本。在地下室施工中，如果层高降低100mm，则 项目总投资能够减少30～40元/m?。在减少高层建筑层高时，可通过结构专业对梁高进行有效控制，对于部分部位，可采用变截面梁或者梁中预埋管套的措施，确保符合净高要求。

4 高层住宅结构设计中的含钢量控制要点

4.1 建筑方案设计的合理优化

在高层住宅结构方案设计阶段，方案设计师应与结构工程师应进行多方案的对比分析，在满足建筑平面规则、建筑立面简洁化设计要求的基础上，妥善协调建筑结构以及经济效益之间的关系。不同结构体系设计方案对于高层住宅建筑建设成本的影响比较大，通常情况下，在当前的高层住宅结构设计中，一般采用剪力墙结构体系，另外，少部分建筑工程由于功能设计要求，采用框支剪力墙結构。框支剪力墙结构的钢含量比较多，应尽量避免采用。

4.2 经济合理的基础形式

高层住宅基础结构选型对于整个建筑工程用钢量的影响比较大，在基础结构设计中，首先需对建筑工程施工现场地质勘察报告进行分析。如果采用灌注桩基础，则应采用大直径少桩数布置原则;如果采用预应力管桩基础，则对于塔楼部分，可优先采用桩径为500mm的管桩;对于地下室结构可采用桩径为400mm的管桩;如果高层住宅建筑工程施工区域地层中含有溶洞、土洞等，则可采用复合地基筏板基础。根据高层住宅建设区域地质条件选择适宜的基础形式，能够有效减少钢材使用量。

4.3.1 优化剪力墙布置

在高层住宅结构设计中，在保证结构安全的基础上可加长剪力墙长度，减小剪力墙数量，通过减少剪力墙结构数量，能够有效降低含钢量。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定，短肢剪力墙配筋率远高于一般剪力墙，因此，在结构设计中，应注意尽量避免采用短肢剪力墙，减少配筋率。

4.3.2 优化梁的布置及配筋

在整个高层住宅建筑工程建设成本中，楼盖占9%～13%，同时楼板重量为整个工程项目的22%左右，而梁是楼盖中十分重要的组成部分，梁的布置形式会对板实际受力情况以及配筋产生较大影响，只有优化梁布置形式，才能够对工程项目建设造价进行有效控制。在具体的结构设计过程中，可取消小跨度楼板下部为支撑上部较短填充墙而设置的小梁，通过减少梁数量，能够有效节约施工成本。

4.3.3 混凝土标号的合理采用

在工程项目施工中，如果混凝土标号增加一级，则单价可提高5%～8%之间，混凝土标高对于柱及剪力墙轴压比的影响比较大，而对于梁承载力的影响比较小，因此，在柱以及剪力墙施工中，可采用高标号混凝土，而在梁施工中，可采用低标号混凝土。在板设计中，通过提高混凝土标号，能够有效提高结构承载力，但是也会造成最小配筋率增大，因此，可采用低标号混凝土。

4.3.4 控制楼板的厚度

楼板结构厚度会对结构荷载产生较大影响，比如20mm厚楼板的自重为标准层总荷载的3.3%左右，如果楼板厚度增加，则荷载加大，同时梁，墙，基础均会增加，导致施工成本增加。另外，如果楼板标准层比较小，则对于配筋，可根据最小配筋率进行计算，如果楼板厚度增加，则会造成施工成本增加。因此，为降低配筋率，应根据实际情况适当调整楼板厚度。

4.3.5 地下室顶板结构形式的合理选择

对于地库顶板，无梁楼盖造价成本低于大板结构，其抗垮塌冗余度没有普通梁板结构大，延性稍差，破坏经常是突发性的。“小柱网”的造价成本低于“大小柱网”，不仅仅是顶板，柱跨小减小底板基础厚度。小柱网地下室梁高低可减小层高，进一步可节约基坑围护费用，并缩短施工周期。小柱网施工成本比较低，对于占工程支出大头的钢筋、混凝土用量基本都可节约10%。小柱网在车位数量上不逊于大柱网，但在工程造价方面有着突出的优势。

综上所述，本文主要对高层住宅结构设计中含钢量控制方法进行了探究。在高层住宅结构设计中，结构工程师、业主需加强配合，应注意在整个项目设计全过程中加强含钢量控制，选择适宜的结构体系，选择经济效益最高的结构布置方案。另外，还应注意减小构件截面以及板厚度，降低梁高，适当增加楼层净高，可在保证结构承载力的基础上降低施工成本。

[1]吴波.影响建筑含钢量的因素及相关研究[J].江西建材，2016，4（9）：28-28.

作者简介：王小兵（）男，硕士，工程师，主要从事结构设计工作。