论文部分内容阅读
摘要：本文总结某板式高层混凝土剪力墙住宅，并通过举例六个结构布置方案，并进行了建模和计算，分析了结构楼层侧移刚度、位移和位移比、刚度比、剪重比和地震力、楼层地震剪力、周期比等指标的变化规律。控制结构水平位移和抗侧移刚度，以钢筋和混凝土用量最小为优化目标，对剪力墙结构方案进行优化。根据剪力墙结构优化设计的结果，提出了高烈度区板式高层住宅剪力墙结构优化后的材料用量建议值，可为类似工程的结构设计提供参考。
关键词：板式住宅；高层建筑结构；剪力墙结构；优化设计
一、板式住宅高层建筑剪力墙结构优化设计
（一）工程概況
某住宅总建筑面积约13980m2，建筑总层数为地上30层，局部31层，地下2层，层高均为2.9m，建筑高度89.9m。标准层建筑平面见图1。
该工程设计基准期50年，抗震设防烈度为8度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.20g。该工程建筑场地为Ⅱ类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A 级高度建筑，其结构抗震等级为一级。场地的特征周期Tg =0.35 s，水平地震影响系数最大值αmax=0.16。基本风压0.40 kN/m2，地面粗糙为B类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数，以及楼面活荷载标准值均按《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）的规定采用。
图1 标准层平面图（单位：mm）
（二）结构布置方案
该工程平面布置从底层至30层一致，在屋面层有楼板跃层和局部突出。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工的方便性来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看，改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。综合考虑，最后决定把构件截面尺寸减少与混凝土强度降低按楼层错开，避免了同层同时改变引起的刚度突变。混凝土强度：梁、板1～14层为C35，15～31层为C30；墙、柱1～7层为C40，8～19层为C35，20～31层为C30；墙厚：1～5层为300 mm，6～13层为200mm，14～31层为200mm。
本文采用六个结构布置方案进行计算分析，通过对比选取优化方案。
1、根据建筑功能的要求，剪力墙按建筑方案的洞口布置建立模型，考虑到剪力墙结构的整体抗侧移刚度较大，对个别剪力墙设置构造洞口，如图所示。
2、在方案一的基础上，为减小抗侧移刚度，在墙肢较长的剪力墙上开设结构洞，把一字形截面改为T形或L形截面，例如，在⑤、⑥、⑨、?、?、?、?轴线的墙肢上开洞，如图2所示。
3、在方案二的基础上，改变混凝土强度等级，将第五标准层以上墙的混凝土强度等级改为C40，以分析混凝土强度等级对结构抗侧移刚度的影响，如图2所示。
4、在方案二的基础上，改变部分剪力墙厚度，将6～13层的墙厚从200mm 增大到250mm，以分析剪力墙厚度对结构抗侧移刚度的影响，如图2所示。
5、原方案（初步设计图纸）布置剪力墙，经计算表明，Y方向的位移过大，地震作用下层间位移角最大值为1/809，不满足《高规》中1/1000的要求，因此，适当加强Y方向剪力墙的数量，如图2所示。
6、方案五的基础上，进一步调整剪力墙的布置，使X，Y，方向的刚度相接近，并将标准层1～3层的剪力墙厚调整为250mm（①、②轴线等两个边跨的墙厚仍为300mm），使结构布置更合理、均匀和对称，如图2所示。
图2 结构平面布置图
（三）设计参数取值
混凝土容重为26.5kN/m3；钢材容重为78.0kN/m3；梁、柱、墙的主筋和箍筋强度、墙分布筋、边缘构件箍筋强度均取360N/mm2；振型组合取18个振型；连梁刚度折减系数取0.55；只考虑偶然偏心的影响，可不考虑双向地震作用；按平扭联进行抗震计算。结构规则性信息选不规则；设计地震分组为第一组，设防烈度为8 度（0.20g），场地类别为Ⅱ类，剪力墙抗震等级为一级；活荷载折减系数取0.5，周期折减系数取0.9，结构的阻尼比取0.05，特征周期为0.35 s；多遇地震影响系数最大值为0.16，罕遇地震影响系数最大值为0.9。
（四）结构优化设计及对比分析
采用PKPM 系列软件的SATWE 模块对6个结构方案进行计算，得到了楼层抗侧移刚度、位移和位移比、刚度比、剪重比和地震反应力、楼层地震剪力、周期比、刚重比、层间受剪承载力、轴压比等[1]。本文主要介绍楼层抗侧移刚度、位移和位移比、剪重比和地震反应力以及周期比，其他结果详见文献[1]
1、楼层侧移刚度
该工程6个方案在X 方向、Y 方向的抗侧移刚度分布曲线见图3。
图3 抗侧移刚度曲线
方案一由于剪力墙主要按建筑的使用要求布置，刚度较大；方案二中由于在部分较长剪力墙肢上开设洞口，刚度较小；方案三中X 方向、Y 方向的刚度分布均与方案二相差不大，表明仅仅改变剪力墙的混凝土强度等级对结构的抗侧移刚度影响不大；方案四中X 方向的刚度分布在结构的上半部分较大，这是由于方案四中的剪力墙厚在第六标准层（14层）以上增大到250mm，而Y 方向的刚度分布与方案二相差不大。按照原方案剪力墙布置进行计算，得到的Y方向层间位移角较大，增加Y方向的剪力墙数量，使结构的刚度增大。因此，方案五的刚度（X方向）比方案二的略大，而Y方向的刚度相差不多。方案六是在方案五的基础上进一步调整了X方向的刚度，使其比方案二的略小，且在Y方向相差不大。
在其他指标（例如，层间位移角限值、剪重比等）都满足规范要求的情况下，从6个方案的抗侧移刚度分布情况来看，初步选择方案二或方案六作为最优方案。
2、楼层层间位移角
该工程6个方案在X 方向、Y 方向的楼层层间位移角分布见图4。 图4 层间位移角曲线
方案一中剪力墙数量较多，刚度较大，因此X，Y方向的层间位移角均较小，最大层间位移角分别为1/1272和1/1283；方案二中X，Y方向的层间位移角最大值分别为1/1037和1/1025，刚好满足规范要求，且两个方向相差不多；方案三、方案四的层间位移角虽然也满足规范要求，且比方案二的数值更小，但是，从经济上考虑，不如方案二优越。方案五Y 方向层间位移角刚好满足规范要求，但与X 方向的层间位移角相差较大。方案六的X，Y方向层间位移角最大值分别为1/1073 和1/1007，满足规范要求，但该方案混凝土强度等级总体上比其他方案低一个等级，其经济性应较好。
3、地震反应力和剪重比
该工程6个方案在X，Y方向地震反应力的分布曲线见图5。可以看出，由于方案一、方案四的刚度较大，其地震作用力也较大；方案六、方案二的刚度较小，其地震作用力也较小；方案三、方案五的刚度居中，其地震作用力大小也居中。说明选择方案六作为最优方案的效果较为显著。
图5 地震反应力分布曲线
4、周期比
可以看出，方案二、方案三、方案四、方案五、方案六的周期相差不大，且X，Y方向第一周期的平动系数均为1，扭转第一周期发生在第三振型，且扭转系数也均为1，表明此五个方案的扭转效应非常小。方案一的周期略小一些，减少13%～16%。这是因为随着剪力墙数量的调整，方案一的刚度较大，导致周期较小，并且有一定的扭转效应。从数据可以看出部分剪力墙的减少，虽然刚度减小但结构布置更加合理，扭转效应减小。6个方案的周期比均较小，为0.70～0.82，其中，方案六的最小，在X，Y方向的周期比分别为0.70 和0.76。
6个方案的周期比均较小，为0.70 ～ 0.82，其中，方案六的最小，在X，Y 方向的周期比分别为0.70 和0.76。
可见，墙肢数量、肢长对结构的抗侧移刚度影响较大；墙肢上开设洞口，对降低结构刚度的影响较明显，而剪力墙的混凝土强度等级对抗侧移刚度影响不大。综合考虑结构刚度、层间位移角、周期比、地震剪力等因素，选择方案六为最优方案，方案二作为备用方案。
二、剪力墙结构材料用量比较分析
（一）混凝土用量
通过对6个方案的所有构件截面面积和长度以及配筋结果进行分析和整理，可以得到该工程的混凝土用量和钢筋用量。混凝土用量见表1～3（统计部位：梁、板、墙柱，未含楼梯、构造柱、建筑节点等）。可见，方案六的混凝土用量最小，为0.4025 m3/m2；混凝土用量较少的为方案二和方案三，为0.4057 m3/m2；混凝土用量最大的为方案一，为0.4423 m3/m2。
表1 周期与振型
方案号 振型號 周期/s 转角/rad 平动系数 X 向平动系数+ Y 向平动系数 扭转系数
方案一 1 1.8990 1.06 0.78 0.78 + 0 00 0.22
2 1.8858 90.96 1.00 0.00+1.00 0.00
3 1.5460 0.62 0.22 0.22+0.00 0.78
方案二 1 2.1945 178.33 1.00 1.00+0.00 0.00
2 2.1786 88.35 1.00 0.00+1.00 0.00
3 1.7403 8.95 0.00 0.00+0.00 1.00
方案三 1 1.7403 178.92 0.00 0.00+0.00 0.00
2 2.1910 88.92 1.00 1.00+1.00 0.00
3 1.7315 178.92 0.00 0.00+0.00 1.00
方案四 1 2.2165 93.68 1.00 0.00+1.00 0.00
2 2.1979 3.67 1.00 1.00+0.00 0.00
3 1.7639 3.67 0.00 0.00+0.00 1.00
方案五 1 2.2097 90.33 1.00 0.00 + 1.00 0.00
2 2.1305 0.32 1.00 1.00 + 0.00 0.00
3 1.7214 9.74 0.00 0.00 + 0.00 1.00
方案六 1 2.2129 89.94 1.00 0.00 + 1.00 0.00
2 2.0256 179.93 0.99 0.99 + 0.00 0.01
3 1.5398 1.74 0.01 0.01 + 0.00 0.99
表2 周期比
Tt /T1 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六
X向 0.81 0.79 0.79 0.80 0.78 0.70
Y向 0.82 0.80 0.80 0.80 0.81 0.76
表3 混凝土用量
项目 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六
剪力墙混凝土总量/ m3 4007.5 3485.9 3485.9 3885.5 3578.6 3438.2
楼盖混凝土总量/ m3 1960.9 1988.6 1988.6 1988.6 1990.4 1993.5
混凝土总量/ m3 5968.4 5474.5 5474.5 5874.1 5569.1 5431.7
剪力墙混凝土单位用量/（m3/m2） 0.2970 0.2583 0.2583 0.2879 0.2652 0.2548
楼盖混凝土单位用量/（m3/m2） 0.1453 0.1474 0.1474 0.1474 0.1475 0.1477 混凝土单位用量/（m3/m2） 0.4423 0.4057 0.4057 0.4354 0.4127 0.4025
（二）钢筋用量
本工程6个方案的剪力墙、楼盖的钢筋用量和总用钢量见表4（统计部位：梁、板、墙柱，未含楼梯、构造柱、建筑节点等）。钢筋用量均为理论重量，未考虑实配钢筋及结构措施钢筋的影响，一般来说，实配钢筋的重量要多于理论重量。由表4 可见，方案六的用钢量最小，为44.306 9 kg /m2，用钢量最大的为方案四，为47.3191 kg /m2。综上所述，由于剪力墙数量、墙肢长度和洞口布置等方面均较合理，因此，方案六在地震受力性能、材料用量上均占有优势。
表4 钢筋用量
项目 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六
剪力墙钢筋总量/ kg 371435.9 365977.3 365977.3 390782.5 361942.1 350132.1
楼盖钢筋总量/kg 247806.2 247806.2 247806.2 247806.2 247806.2 247806.2
钢筋总量/kg 619242.1 613783.5 613783.5 638588.7 609748.3 597938.3
剪力墙单位用钢量/（kg/m2） 27.5232 27.1187 27.1187 28.956 8 26.819 7 25.944 6
楼盖单位用钢量/（kg/m2） 18.362 3 18.362 3 18.362 3 18.362 3 18.362 3 18.362 3
钢筋单位用钢量/（kg/m2） 45.885 5 45.481 0 45.481 0 47.319 1 45.182 0 44.306 9
说明：±0.000 以上建筑面积为13495.37m2。
三、优化设计材料用量建議值
结合本工程的特点，对多个类似高层住宅剪力墙结构的材料用量进行了调研、统计和分析。此外，根据本文的优化方案绘制了结构施工图，专业审图计算公司根据施工图计算得到了各材料用量的计算值。综合分析本文所得材料用量理论值、审图公司的材料用量计算值以及类似结构的材料用量实际值，提出了高烈度区板式高层（30层）住宅剪力墙结构的优化设计技术经济指标建议值，见表9。
表9 材料用量建议值
部位 项目 混凝土单位用量
/（m3/m2） 钢筋单位用量
/（kg/m2）
±0.00 以上 剪力墙 0.22 ～ 0.25 25 ～ 28
楼盖 0.18 ～ 0.20 25 ～ 27
合计 0.40 ～ 0.45 50 ～ 55
四、结束语
随着我国的高层住宅建筑大多采用钢筋混凝土结构，按照其抗侧力单元的不同可以分为框架结构、剪力墙结构、筒体结构等。剪力墙结构体系刚度大，整体性好，抵抗侧向变形能力强，抗震性能较好，在我国高层住宅、旅馆等居住性建筑中广泛使用。结构设计的目的是在保证建筑安全、技术可行、配合并促进建筑设计的前提下，以最经济的手段来实现建筑的预期效果。然而，国内不少设计单位人员工作繁忙、成本意识和各专业配合意识相对薄弱、项目设计周期短等因素，大都做不到精细设计，使建筑结构有很大的优化设计的空间与余地。国内也有学者和设计技术人员对各类型结构的优化设计方法和影响因素进行研究，得到了一些有意义的结论。
参考文献：
[1]西安建筑科技大学，大华（集团）有限公司. 西安地区30层住宅高层建筑结构优化设计研究报告[R]. 西安：西安建筑科技大学，2010.
[2] 王巍，沈育新，肖伟，等. 某剪力墙结构优化设计方法分析[J]. 工程抗震与加固改造，2008，30（8）：58-59.
[3] 冯中伟，刘宜丰. 高层剪力墙住宅结构优化设计[J]. 建筑结构，2010，40（6）：124-127.
作者简介：
张宗元，1981-10，男，421002198110091811，广东深圳，从业建筑结构设计。
关键词：板式住宅；高层建筑结构；剪力墙结构；优化设计
一、板式住宅高层建筑剪力墙结构优化设计
（一）工程概況
某住宅总建筑面积约13980m2，建筑总层数为地上30层，局部31层，地下2层，层高均为2.9m，建筑高度89.9m。标准层建筑平面见图1。
该工程设计基准期50年，抗震设防烈度为8度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.20g。该工程建筑场地为Ⅱ类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A 级高度建筑，其结构抗震等级为一级。场地的特征周期Tg =0.35 s，水平地震影响系数最大值αmax=0.16。基本风压0.40 kN/m2，地面粗糙为B类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数，以及楼面活荷载标准值均按《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）的规定采用。
图1 标准层平面图（单位：mm）
（二）结构布置方案
该工程平面布置从底层至30层一致，在屋面层有楼板跃层和局部突出。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工的方便性来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看，改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。综合考虑，最后决定把构件截面尺寸减少与混凝土强度降低按楼层错开，避免了同层同时改变引起的刚度突变。混凝土强度：梁、板1～14层为C35，15～31层为C30；墙、柱1～7层为C40，8～19层为C35，20～31层为C30；墙厚：1～5层为300 mm，6～13层为200mm，14～31层为200mm。
本文采用六个结构布置方案进行计算分析，通过对比选取优化方案。
1、根据建筑功能的要求，剪力墙按建筑方案的洞口布置建立模型，考虑到剪力墙结构的整体抗侧移刚度较大，对个别剪力墙设置构造洞口，如图所示。
2、在方案一的基础上，为减小抗侧移刚度，在墙肢较长的剪力墙上开设结构洞，把一字形截面改为T形或L形截面，例如，在⑤、⑥、⑨、?、?、?、?轴线的墙肢上开洞，如图2所示。
3、在方案二的基础上，改变混凝土强度等级，将第五标准层以上墙的混凝土强度等级改为C40，以分析混凝土强度等级对结构抗侧移刚度的影响，如图2所示。
4、在方案二的基础上，改变部分剪力墙厚度，将6～13层的墙厚从200mm 增大到250mm，以分析剪力墙厚度对结构抗侧移刚度的影响，如图2所示。
5、原方案（初步设计图纸）布置剪力墙，经计算表明，Y方向的位移过大，地震作用下层间位移角最大值为1/809，不满足《高规》中1/1000的要求，因此，适当加强Y方向剪力墙的数量，如图2所示。
6、方案五的基础上，进一步调整剪力墙的布置，使X，Y，方向的刚度相接近，并将标准层1～3层的剪力墙厚调整为250mm（①、②轴线等两个边跨的墙厚仍为300mm），使结构布置更合理、均匀和对称，如图2所示。
图2 结构平面布置图
（三）设计参数取值
混凝土容重为26.5kN/m3；钢材容重为78.0kN/m3；梁、柱、墙的主筋和箍筋强度、墙分布筋、边缘构件箍筋强度均取360N/mm2；振型组合取18个振型；连梁刚度折减系数取0.55；只考虑偶然偏心的影响，可不考虑双向地震作用；按平扭联进行抗震计算。结构规则性信息选不规则；设计地震分组为第一组，设防烈度为8 度（0.20g），场地类别为Ⅱ类，剪力墙抗震等级为一级；活荷载折减系数取0.5，周期折减系数取0.9，结构的阻尼比取0.05，特征周期为0.35 s；多遇地震影响系数最大值为0.16，罕遇地震影响系数最大值为0.9。
（四）结构优化设计及对比分析
采用PKPM 系列软件的SATWE 模块对6个结构方案进行计算，得到了楼层抗侧移刚度、位移和位移比、刚度比、剪重比和地震反应力、楼层地震剪力、周期比、刚重比、层间受剪承载力、轴压比等[1]。本文主要介绍楼层抗侧移刚度、位移和位移比、剪重比和地震反应力以及周期比，其他结果详见文献[1]
1、楼层侧移刚度
该工程6个方案在X 方向、Y 方向的抗侧移刚度分布曲线见图3。
图3 抗侧移刚度曲线
方案一由于剪力墙主要按建筑的使用要求布置，刚度较大；方案二中由于在部分较长剪力墙肢上开设洞口，刚度较小；方案三中X 方向、Y 方向的刚度分布均与方案二相差不大，表明仅仅改变剪力墙的混凝土强度等级对结构的抗侧移刚度影响不大；方案四中X 方向的刚度分布在结构的上半部分较大，这是由于方案四中的剪力墙厚在第六标准层（14层）以上增大到250mm，而Y 方向的刚度分布与方案二相差不大。按照原方案剪力墙布置进行计算，得到的Y方向层间位移角较大，增加Y方向的剪力墙数量，使结构的刚度增大。因此，方案五的刚度（X方向）比方案二的略大，而Y方向的刚度相差不多。方案六是在方案五的基础上进一步调整了X方向的刚度，使其比方案二的略小，且在Y方向相差不大。
在其他指标（例如，层间位移角限值、剪重比等）都满足规范要求的情况下，从6个方案的抗侧移刚度分布情况来看，初步选择方案二或方案六作为最优方案。
2、楼层层间位移角
该工程6个方案在X 方向、Y 方向的楼层层间位移角分布见图4。 图4 层间位移角曲线
方案一中剪力墙数量较多，刚度较大，因此X，Y方向的层间位移角均较小，最大层间位移角分别为1/1272和1/1283；方案二中X，Y方向的层间位移角最大值分别为1/1037和1/1025，刚好满足规范要求，且两个方向相差不多；方案三、方案四的层间位移角虽然也满足规范要求，且比方案二的数值更小，但是，从经济上考虑，不如方案二优越。方案五Y 方向层间位移角刚好满足规范要求，但与X 方向的层间位移角相差较大。方案六的X，Y方向层间位移角最大值分别为1/1073 和1/1007，满足规范要求，但该方案混凝土强度等级总体上比其他方案低一个等级，其经济性应较好。
3、地震反应力和剪重比
该工程6个方案在X，Y方向地震反应力的分布曲线见图5。可以看出，由于方案一、方案四的刚度较大，其地震作用力也较大；方案六、方案二的刚度较小，其地震作用力也较小；方案三、方案五的刚度居中，其地震作用力大小也居中。说明选择方案六作为最优方案的效果较为显著。
图5 地震反应力分布曲线
4、周期比
可以看出，方案二、方案三、方案四、方案五、方案六的周期相差不大，且X，Y方向第一周期的平动系数均为1，扭转第一周期发生在第三振型，且扭转系数也均为1，表明此五个方案的扭转效应非常小。方案一的周期略小一些，减少13%～16%。这是因为随着剪力墙数量的调整，方案一的刚度较大，导致周期较小，并且有一定的扭转效应。从数据可以看出部分剪力墙的减少，虽然刚度减小但结构布置更加合理，扭转效应减小。6个方案的周期比均较小，为0.70～0.82，其中，方案六的最小，在X，Y方向的周期比分别为0.70 和0.76。
6个方案的周期比均较小，为0.70 ～ 0.82，其中，方案六的最小，在X，Y 方向的周期比分别为0.70 和0.76。
可见，墙肢数量、肢长对结构的抗侧移刚度影响较大；墙肢上开设洞口，对降低结构刚度的影响较明显，而剪力墙的混凝土强度等级对抗侧移刚度影响不大。综合考虑结构刚度、层间位移角、周期比、地震剪力等因素，选择方案六为最优方案，方案二作为备用方案。
二、剪力墙结构材料用量比较分析
（一）混凝土用量
通过对6个方案的所有构件截面面积和长度以及配筋结果进行分析和整理，可以得到该工程的混凝土用量和钢筋用量。混凝土用量见表1～3（统计部位：梁、板、墙柱，未含楼梯、构造柱、建筑节点等）。可见，方案六的混凝土用量最小，为0.4025 m3/m2；混凝土用量较少的为方案二和方案三，为0.4057 m3/m2；混凝土用量最大的为方案一，为0.4423 m3/m2。
表1 周期与振型
方案号 振型號 周期/s 转角/rad 平动系数 X 向平动系数+ Y 向平动系数 扭转系数
方案一 1 1.8990 1.06 0.78 0.78 + 0 00 0.22
2 1.8858 90.96 1.00 0.00+1.00 0.00
3 1.5460 0.62 0.22 0.22+0.00 0.78
方案二 1 2.1945 178.33 1.00 1.00+0.00 0.00
2 2.1786 88.35 1.00 0.00+1.00 0.00
3 1.7403 8.95 0.00 0.00+0.00 1.00
方案三 1 1.7403 178.92 0.00 0.00+0.00 0.00
2 2.1910 88.92 1.00 1.00+1.00 0.00
3 1.7315 178.92 0.00 0.00+0.00 1.00
方案四 1 2.2165 93.68 1.00 0.00+1.00 0.00
2 2.1979 3.67 1.00 1.00+0.00 0.00
3 1.7639 3.67 0.00 0.00+0.00 1.00
方案五 1 2.2097 90.33 1.00 0.00 + 1.00 0.00
2 2.1305 0.32 1.00 1.00 + 0.00 0.00
3 1.7214 9.74 0.00 0.00 + 0.00 1.00
方案六 1 2.2129 89.94 1.00 0.00 + 1.00 0.00
2 2.0256 179.93 0.99 0.99 + 0.00 0.01
3 1.5398 1.74 0.01 0.01 + 0.00 0.99
表2 周期比
Tt /T1 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六
X向 0.81 0.79 0.79 0.80 0.78 0.70
Y向 0.82 0.80 0.80 0.80 0.81 0.76
表3 混凝土用量
项目 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六
剪力墙混凝土总量/ m3 4007.5 3485.9 3485.9 3885.5 3578.6 3438.2
楼盖混凝土总量/ m3 1960.9 1988.6 1988.6 1988.6 1990.4 1993.5
混凝土总量/ m3 5968.4 5474.5 5474.5 5874.1 5569.1 5431.7
剪力墙混凝土单位用量/（m3/m2） 0.2970 0.2583 0.2583 0.2879 0.2652 0.2548
楼盖混凝土单位用量/（m3/m2） 0.1453 0.1474 0.1474 0.1474 0.1475 0.1477 混凝土单位用量/（m3/m2） 0.4423 0.4057 0.4057 0.4354 0.4127 0.4025
（二）钢筋用量
本工程6个方案的剪力墙、楼盖的钢筋用量和总用钢量见表4（统计部位：梁、板、墙柱，未含楼梯、构造柱、建筑节点等）。钢筋用量均为理论重量，未考虑实配钢筋及结构措施钢筋的影响，一般来说，实配钢筋的重量要多于理论重量。由表4 可见，方案六的用钢量最小，为44.306 9 kg /m2，用钢量最大的为方案四，为47.3191 kg /m2。综上所述，由于剪力墙数量、墙肢长度和洞口布置等方面均较合理，因此，方案六在地震受力性能、材料用量上均占有优势。
表4 钢筋用量
项目 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六
剪力墙钢筋总量/ kg 371435.9 365977.3 365977.3 390782.5 361942.1 350132.1
楼盖钢筋总量/kg 247806.2 247806.2 247806.2 247806.2 247806.2 247806.2
钢筋总量/kg 619242.1 613783.5 613783.5 638588.7 609748.3 597938.3
剪力墙单位用钢量/（kg/m2） 27.5232 27.1187 27.1187 28.956 8 26.819 7 25.944 6
楼盖单位用钢量/（kg/m2） 18.362 3 18.362 3 18.362 3 18.362 3 18.362 3 18.362 3
钢筋单位用钢量/（kg/m2） 45.885 5 45.481 0 45.481 0 47.319 1 45.182 0 44.306 9
说明：±0.000 以上建筑面积为13495.37m2。
三、优化设计材料用量建議值
结合本工程的特点，对多个类似高层住宅剪力墙结构的材料用量进行了调研、统计和分析。此外，根据本文的优化方案绘制了结构施工图，专业审图计算公司根据施工图计算得到了各材料用量的计算值。综合分析本文所得材料用量理论值、审图公司的材料用量计算值以及类似结构的材料用量实际值，提出了高烈度区板式高层（30层）住宅剪力墙结构的优化设计技术经济指标建议值，见表9。
表9 材料用量建议值
部位 项目 混凝土单位用量
/（m3/m2） 钢筋单位用量
/（kg/m2）
±0.00 以上 剪力墙 0.22 ～ 0.25 25 ～ 28
楼盖 0.18 ～ 0.20 25 ～ 27
合计 0.40 ～ 0.45 50 ～ 55
四、结束语
随着我国的高层住宅建筑大多采用钢筋混凝土结构，按照其抗侧力单元的不同可以分为框架结构、剪力墙结构、筒体结构等。剪力墙结构体系刚度大，整体性好，抵抗侧向变形能力强，抗震性能较好，在我国高层住宅、旅馆等居住性建筑中广泛使用。结构设计的目的是在保证建筑安全、技术可行、配合并促进建筑设计的前提下，以最经济的手段来实现建筑的预期效果。然而，国内不少设计单位人员工作繁忙、成本意识和各专业配合意识相对薄弱、项目设计周期短等因素，大都做不到精细设计，使建筑结构有很大的优化设计的空间与余地。国内也有学者和设计技术人员对各类型结构的优化设计方法和影响因素进行研究，得到了一些有意义的结论。
参考文献：
[1]西安建筑科技大学，大华（集团）有限公司. 西安地区30层住宅高层建筑结构优化设计研究报告[R]. 西安：西安建筑科技大学，2010.
[2] 王巍，沈育新，肖伟，等. 某剪力墙结构优化设计方法分析[J]. 工程抗震与加固改造，2008，30（8）：58-59.
[3] 冯中伟，刘宜丰. 高层剪力墙住宅结构优化设计[J]. 建筑结构，2010，40（6）：124-127.
作者简介：
张宗元，1981-10，男，421002198110091811，广东深圳，从业建筑结构设计。