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住宅鋼結構，中華第一樓 ??南寧“湖濱大廈”圖紙設計分析

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    廣西建筑綜合設計研究院 沈巽之 龐全
    作者簡介：曾主審由科學出版社出版的“新世紀高職高專鋼結構”教材的編撰主審工作；發(fā)表多篇住宅鋼結構的論文；參與北京“金宸公寓”3#、4#樓及南寧“湖濱大廈”等著名鋼結構住宅的前期策劃、調研和設計、現(xiàn)場施工管理。“金宸公寓”已竣工，現(xiàn)擔任南寧“湖濱大廈”工程項目總監(jiān)，該項目已完成圖紙設計并開始基礎工程的施工。
    關鍵詞：超高層住宅鋼結構、不規(guī)則建筑平面、核心筒、剪力墻。
    一、工程概況：
    由廣西友立房地產開發(fā)有限公司開發(fā)的“湖濱大廈”位于翠綠全年如蓋、繁花四季似錦、青草一地凝碧、綠樹滿城婆娑的中國綠城??南寧的南湖之濱。
    “湖濱大廈”建筑高度為115米，地下二層約9200?為車庫，地上27800?共三十二層，每層面為四戶住宅，其中一層為架空層，共124戶。配有三臺電梯，二個樓梯。建筑平面呈不規(guī)則的“蝴蝶”形。坐北朝南，充分表現(xiàn)戶戶均好原則。寶內通風光良好；功能分區(qū)明確；房間布合理；空間充分利用。使每一位戶主都能享受陽光，觀賞南湖美景，“湖濱大廈”外立面凹凸有致，挺拔飄逸，極具現(xiàn)代氣息，是南湖之濱的一座標志性建筑。
    大廈的結構部分采用鋼結構框架與鋼筋混凝土核心筒、剪力墻相結合的結構形式，充分發(fā)揮鋼結構的優(yōu)勢和特點，取得了較好的整體性和經濟性。地下室和主體都采用箱形鋼管砼柱，梁采用H型鋼梁，設置必要的栓釘連接件與現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板作可靠連接。電梯間，樓梯間，剪力墻的主要部位預埋熱軋H型鋼柱，使鋼梁與鋼筋混凝土墻有可靠的支撐和連接，承擔抗側、抗扭等水平荷載，鋼框架主要承受垂直荷載。
    “湖濱大廈”配置中央空調、中央吸塵系統(tǒng)和先進的智能化安防系統(tǒng)等一系列現(xiàn)代化的科技的設備、設施。體現(xiàn)以人為本的現(xiàn)代居住設計理念。展示成熟高尚社區(qū)的科學化，現(xiàn)代化、人性化的合理配置。
    據(jù)薛發(fā)先生在2003年“上海鋼結構住宅產業(yè)與住宅科技博覽會”上講：“……從結構體系及受力的性能上考慮，高層鋼結構住宅目前還很少高于三十層，一般也就是二十多層……”。根據(jù)資料查閱，至少目前國內沒有三十層以上，高于100米的鋼結構住宅項目。從資料上看，國內的鋼結構住宅的建筑平面大多是矩形的，比如：上海的陸海城（25層），中福城（11層），北京的金宸公寓（13層）以及濟南的百花小區(qū)（26層）等，都是低于三十層的矩形的建筑平面。國外有一些非矩形鋼結構住宅：比如：英國希奈茅斯的18層公寓，建筑平面采用雙“Y”相連的形式，澳大利亞有一座13層公寓，建筑平面為“L”形。廣西友立房地產開發(fā)有限公司，充分考慮每位業(yè)主都能在室內享受陽光，享受清新空氣，享受優(yōu)美的南湖風光，采用了“蝴蝶形”的不規(guī)則建筑平面設計。
    “湖濱大廈”是建設部科技示范工程和建設部鋼結構住宅示范工程，已申報了建設部鋼結構委員會的鋼結構金獎工程，并已編入《2004年中國建設年鑒》。由于南寧“湖濱大廈”有三十四層的高度；外立面高聳挺拔，現(xiàn)代飄逸和不規(guī)則“蝴蝶”形的建筑平面設計，被業(yè)內人士稱為“住宅鋼結構、中華第一樓”。（見圖一）

    二、氣候 、地形條件
    廣西位于北回歸線南側，南寧市座落于廣西的中南部，是廣西的政治、文化和經濟中心，南寧地處低緯度地區(qū)，全年受海洋暖濕氣流和北方冷氣團的交替影響，是國內氣溫較高，降水較多地區(qū)，屬亞熱帶季風氣候環(huán)境。年平均氣溫21.6℃ ，最冷月平均氣溫12.9℃，年降雨天數(shù)150.8天，年雪暴雨天88.6天。風向，除七月份為東南風外，多為靜風，東風及東北風；平均風速：夏季1.1m/s，冬季1.5m/s，年最大風速35.2m/s；根據(jù)全國基本風壓區(qū)分布圖，南寧市基本風壓為0.35KN/?。
    場地及其周鄰地段地面平坦，地面高程約為75.00m左右。地貌屬南寧盆地東部，邕江北岸Ⅱ級階地，階面寬闊平坦。場地及其周鄰地段未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、塌陷、沖溝切割侵蝕等不良地質作用。場地上部為第四系人工填土和河流沖積覆蓋，其厚度約26-29m，第四系沖積層之下分布的是第三系、白堊系，石炭系，泥盆系和寒武系地層。上述地層的分布與組合，構成軸向近東亞的向斜構造盆地。盆地內下伏的第三系地層形狀平緩，場地及其附近無大的斷裂層通過；盆地北部邊緣東北向和近東西向的斷裂構造較為明顯，以正斷層為主，未發(fā)現(xiàn)活動性深大斷裂。綜上所述，場地區(qū)域地質較為穩(wěn)定。場地東南面約100米是南湖，常年水位在地面下約1-2米，南湖水系與邕江相通。場地圓礫層為主要承壓水賦存層。場地標高為75.00米，地下水位深6.4-6.99米左右，相差6.5米，經補充調查，最多水位不大于71.17米，即地下3.83米，整個場地穩(wěn)定性評價：場地無地震斷裂帶通過，土層較為均勻，屬穩(wěn)定場地，適合興建高層住宅。
    三、場地地質基礎
    “湖濱大廈”建筑占地約為97米×50米。上部建筑約為53.7米×30.7米。蝶形平面，總高約107.5米（頂高114.8米）。根據(jù)詳勘報告，場地表面平整，曾經作為周邊建筑棄土堆場堆土高約3-4米，歷時約3年左右，對表土有明顯壓密作用。按照揭露順序，場地土層依次為：①素填土，底面埋深為0.0~2.3米，層厚0.0~2.3米；②硬塑粘土，底面埋深為6~8米厚1.2~8.1米；③粉質粘土-1，可塑，底面埋深為6.8~8.7米，部分鉆孔缺失，層厚0~6.1米；④粉質粘土-2，可塑~軟塑，底面埋深為14.8~15.3米，層厚5.9~9米；⑤圓礫，礫石含量約70%左右，粒徑5~20mm。稍密~中密狀態(tài)。底面埋深為25.2~27.4米，層厚10~14.1米；⑥-1砂質泥巖，強風化，層厚4米；⑥-2砂質泥巖，中風化，未鉆透，推測厚度大于20米。
    根據(jù)土質情況，經過投資概算比較、常規(guī)可靠性分析比較、施工難度選擇比較、主樓與地下室沉降協(xié)調能力比較等多方位的對比，最終決定采用靜壓預制方樁與筏板基礎作為主樓基礎；其它地下室為筏板基礎。預制樁為450×450斷面，C40混凝土，樁長8.0米，以圓礫層為樁端檔力層，估算單樁承載力特征值為Ra=1300KN，其值應以靜載試樁的試驗結果為準。樁筏分擔承載比例為7:3。基礎埋置深度從室外地面算至筏板底面約為8.2米，約為建筑高度的十分之一，滿足高規(guī)第12.1.7條第二款之規(guī)定。通過后澆帶解決混凝土早期收縮和主樓與地下室裙樓的前期沉降差異。同時確保主樓在地面層的可靠嵌固。
    四、設計依據(jù)及規(guī)范
    1、 本工程結構設計采用的主要結構規(guī)范、規(guī)程及規(guī)定：
    1．1 建筑結構荷載規(guī)范（GB50009-2001）
    1．2 建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2001）
    1．3 混凝土結構設計規(guī)范（GB50010-2002）
    1．4 高層建筑混凝土結構技術規(guī)范（JGJ 3-2002）（J186-2002）
    1．5 鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003）
    1．6 高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程（JGJ99-98）
    1．7 鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范（GB50205-2001）
    1．8 建筑鋼結構焊接技術規(guī)程（JGJ81-2002）
    1．9 鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)程JGJ82-91
    1．10 鋼結構防火涂料應用技術規(guī)程（CECS24：90）
    1．11 涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級（GB 8923-88）
    1．12 型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程（JGJ 138-2001）
    1．13 鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程（CECS 28：90）
    1．14 冷軋帶肋鋼筋（GB13788-2000）
    1．15 冷軋帶肋鋼筋混凝土結構技術規(guī)程（JGJ95-2003）
    1．16 建筑地基基礎設計規(guī)范（GB50007-2002）
    1．17 建筑柱基技術規(guī)范（JGJ94-94）
    1．18 地下工程防水技術規(guī)范（GB50108-2001）
    1．19 人民防空下室設計規(guī)范（GB50038-94）（2003年版）
    1．20 砌體結構設計規(guī)范（GB50223-95）
    1．21 建筑抗震設防分類標準（GB50223-95）
    2、本工程、結構設計參考的主要技術資料：
    2．1 矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程（2003年6月15日送審稿）
    2．2 天津市鋼結構住宅設計規(guī)程（2003年5月18日送稿審稿）
    2．3 上海市標準高層建筑鋼一混凝土混合結構設計規(guī)程（2003年4月送審稿）
    2．4 南寧市湖濱大廈巖土工程詳細勘察報告（廣西基礎勘察工程有限公司2003年6月）
    五、設計使用荷載
    1、設計使用荷載
    ○1 基本風壓Wo=0.40KN/?(n=100年)。地面粗糙度C類。
    ○2 樓（天）面主要均布活荷載標準值（KN/?）：
    ○3 車庫 4.0 KN/?
    ○4 廣場樓板（室外） 35KN/?；（考慮消防車）
    ○5 廣場樓板（花園覆土+活載） 30+5KN/?；（土厚,<1.2米）
    ○6 住宅樓板 2.0KN/?;
    ○7 住宅陽臺 2.5KN/?；
    ○8 住宅主衛(wèi)生間（回填）4.0 KN/?
    ○9 電梯機房 7.0 KN/?
    ○10 上人天面 1.5 KN/?
    ○11 走廊、門廳、樓梯 3.5 KN/?
    ○12 輕型雨蓬 0.5 KN/?
    ○13 一層頂?shù)豕堋⒌蹴? 2.0KN/?
    ○14 發(fā)電機房、設備用房 10.0 KN/?
    ○15 人防頂板 55 KN/?
    ○16 人防外墻 30 KN/?
    ○17 臨空墻 130 KN/?
    2、建筑及設備專業(yè)提供的初步設計圖紙和資料。
    3、建設單位的有關設計要求：按高層鋼混凝土混合結構進行設計。
    六、建筑結構布置
    1 建筑結構的安全等級為二級。A級建筑高度抗震設防。
    2 結構設計使用年限50年。
    3 本工程抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組。根據(jù)《建筑抗震設防分類標準》GB50223-95，本工程各建筑根據(jù)其使用功能的重要性，考慮為丙類建筑，地震作用和抗震設防措施均按6度設計。混凝土剪力墻及混凝土筒體的抗震等級為三級。
    4 地基基礎設計等級為甲級。
    5 人防：地下二層部分設置6級人防。考慮平戰(zhàn)結合。
    6 基礎形式、基礎理置深度及持力層名稱：高層部分基礎擬采用樁筏基礎，附屬無上部結構的地下車庫為筏板基礎，以粉質粘土持力層，通過設置排水反濾溝，消除地下水浮力，不設抗浮樁。基礎面標高為-7.700米。板底為粉質粘土層。
    7 樁的類型、樁端持力層及持力層的深度：樁型考慮靜壓預制方柱、管柱、灌注柱、人工挖孔柱幾種形式。根據(jù)地質報告，結合造價因素，權衡后選擇靜壓預制方樁為承重樁型。以圓礫為持力層，樁長約為8.2米左右。結合基坑開挖，聯(lián)合勘察部門和施工單位，對基底地下水及透水情況再次評估，以確定是否設小直徑灌注樁為抗浮樁。
    8 基坑支護：高層部分基礎采用大開挖，邊坡作簡易防護，以自然放坡為主；部分場地大開挖后，采用旋噴樁結合錨桿支護。由于淺層粘土力學性質較好，場地周邊建筑較遠，場地開闊，錨桿錨固可靠，比較經濟，擬采用大開挖基坑，邊坡作簡易防護，以自然放坡為主，根據(jù)開挖情況，局部考慮錨桿支護。
    9 上部結構選型：采用鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻的結構體系。框架柱采用方鋼管砼柱和箱型鋼柱。樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，并在鋼梁上設置栓釘連接件使樓板和鋼梁形成組合截面。鋼筋混凝土剪力墻的主要部位預埋型鋼柱，使鋼梁與鋼筋混凝土墻有可靠的連接。
    10 地下室不設永久縫
    地下室考慮防水要求不設永久縫。為解決地下室底、頂板及外墻溫度變化、砼收縮及水化熱對砼的影響，擬采取每隔30～40米間距留出施工后澆帶，帶外砼采用補償收縮砼，帶內砼為無收縮砼。帶內砼在帶外砼澆筑完成兩個星期及沉降量達到預定值后再行澆筑。
    主樓與無上部結構的地下室裙樓之間，在裙樓一側設后澆帶，以協(xié)調主、裙房之間的沉降差異。待主樓沉降基本穩(wěn)定后澆灌該后澆帶。此后澆帶與上述收縮后澆帶共用。
    11 地下室的結構做法和防水等級：地下室柱采用箱型鋼管砼柱。梁主要采用H型鋼或焊接工字鋼梁，設置必要的栓釘連接件與現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板可靠聯(lián)結。外墻采用現(xiàn)澆抗?jié)B鋼筋混凝土結構400厚。設計抗?jié)B等級為1.2Mpa。





    12 主要結構材料的選用：

    地下室底板(包括底板梁)、外側墻及水池壁采用補償收縮砼。
    基礎墊層：用C15素砼(厚度為100)。
    2)鋼筋：直徑<12時采用冷軋帶肋鋼筋(550級，fy=360Mpa)，直徑≥12時采用HRB335鋼筋。
    3)鋼材的材料等級為Q345B。鋼材等級見材料表，未注明的材料等級為Q345B。
    4)高強螺栓采用10.9S，抗滑移系數(shù)0.45。抗剪栓釘為圓柱頭栓釘，Q235B。
    5)普通螺栓采用C級。
    6)電焊條(手工焊)：對于Q235鋼，用E4315、E4316；對于Q345鋼，用E5015、E5016。
    電焊條需滿足GB5117-85或GB5118-85。
    7)采用自動或半自動焊接時所用的焊絲和焊劑，應與主體金屬強度相適應，其質量要求應符合《熔化焊用鋼絲》(GB/T14957-94)、《氣體保護焊用鋼絲》(GB/T14958-94)、《低合金鋼埋弧焊劑》(GB/T12470-90)的規(guī)定。
    13 結構計算軟件
    本工程按體型復雜的結構。采用了兩個結構分析軟件進行了整體計算，并考慮彈性樓板。考慮有斜交抗側力構件，除X、Y方向外同時計算45°和135°方向的水平地震作用。所用的軟件為：
    1) 高層建筑結構空間有限元分析軟件SATWE；SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件，用在殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。
    2） 特殊多、高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP；廣義協(xié)調墻元模型。
    3） 按照規(guī)范，墻、梁、柱設計時活荷載需要折減；基礎設計時在JCCAD程序計算時統(tǒng)一折減。
    4） 結構自震周期折減系數(shù)取0.8。結構阻尼比4.0％。
    5） 考慮到應用的普遍性和成熟經驗，結構分析結果以SATWE為主，其他程序結果作為驗證整體安全性。
    14 主要結構特征參數(shù)
    本工程主體結構分析采用了多方案對比。計算考慮扭轉耦連、雙向地震作用、P?△效應0°和45°受力計算、25、30、32層的計算分析(首次按25層設計，后結構考慮30層，現(xiàn)在定為32層)。從方案一(整體十分剛性)逐步向方案三(整體相對柔性)進行減少剪力墻的分析，其中進行了用剛性鋼支撐取代混凝土剪力墻的計算嘗試，結果由于沒有合適的部位設置，所設的剛性鋼支撐剛性太小，無法完全取代混凝土剪力墻的作用。最終選擇方案為方案二。其結果如下：
    分析考慮底部嵌固在地下一層樓面處，設計考慮了36個振型組合，前6個振型的自振周期和結構頂點位移及層間最大位移計算結果如下表l至表3：


    由上結果可知，在地震作用和風荷載作用下，無論是頂點最大位移還是層間最大位移，最大位移和平均位移之比，最大層間位移與平均層間位移的比值，均滿足規(guī)范規(guī)定的允許值。扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的自振周期之比不大于0.85。最大層間位移為l／999，比較好地滿足了外墻考慮采用陶粒混凝土空心砌塊的抗裂需要和規(guī)范要求。
    15 結構整體穩(wěn)定驗算結果
    X向剛重比EJD/GH2二2.9；Y向剛重比Ejd/GH2二3.60。
    該結構剛重比Ejd/GH2大于1.4，能夠通過高規(guī)(第5.4.4條)的整體穩(wěn)定驗算。
    該結構剛重比Ejd/GH2小于2.7，不需要考慮重力二階效應。
    16 新技術、新結構、新材料的采用：擬采用高強箱型鋼管混凝土柱、箱型鋼柱、H型鋼梁、鋼筋混凝土剪力墻結構，填充墻體大量采用輕質預制墻板，外墻采用陶粒混凝土空心砌塊，基礎底板采用m級鋼筋，現(xiàn)澆樓板采用冷軋帶肋鋼筋，樓面次梁為鋼?混凝土組合梁。施工中重點監(jiān)控地下水位變化，決定是否需要補抗浮樁。混凝土采用外加劑以制成無收縮和微膨脹混凝土。鋼結構用于高層住宅在廣西是第一次，需要仔細考慮防水問題、防火問題、耐久性問題、隔音問題、與設備工種配合問題、變形許可問題等。
    17 采用的標準圖集：《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》(01SG519)。
    18 施工的特殊要求：施工前，需要制定詳細的施工解決方案，重點確定地下室外墻施工支護及后期防水層施工問題；大面積混凝土底板、樓板施工，需要試配無收縮混凝土；鋼管混凝土需要確保密實措施；現(xiàn)場焊接，工人技術需要培訓和保證；鋼結構構件與現(xiàn)澆混凝土構件尺寸要嚴格控制；監(jiān)控地下水位變化。根據(jù)規(guī)范，需要埋設變形、沉降觀測點，并進行系統(tǒng)觀測。施工單位還需要科學編排施工工期和工序，解決相對孤單的剪力墻超前澆筑的穩(wěn)定問題。地下室是否需要設置抗拔樁，也需要施工單位在基坑開挖時根據(jù)現(xiàn)場情況提供配合來綜合確定。

    七、優(yōu)化后的經濟技術分析
    “湖濱大廈”由廣西建筑綜合設計研究院設計，設計研究院的領導和設計人員本著認真、嚴謹?shù)呢撠煈B(tài)度、科學合理的設計原則，花了大量的時間和精力，幾經修改和完善，充分發(fā)揮鋼結構的優(yōu)勢，不僅很好地滿足了使用功能的要求，也取得了很好的經濟效益和社會效益。該項目在設計過程中，受到了建設部科技司和鋼結構委員會的專家們的極大關注。曾先后面兩次組織多名專家對圖紙進行會審，并提出了許多寶貴意見，對圖紙進行了優(yōu)化，原先的設計（見圖二）：

    在電梯間與樓梯間之間的部分是空洞（中庭），經修改后原空洞部分改成公共部分，這樣一、就形成了一個很好的抗側、抗剪、抗扭的核心筒體，大大提高了構件的受力，加強了整體性。二、戶型布置更加合理；三、增加了使用面積32層×40?=1280?。（見圖三）：


    現(xiàn)將一些進行優(yōu)化后的經濟技術進行分析：
    1、增加了樓層由原來的二十八層增加到三十三層，增加建筑面積828 ?/層×5層=4125?。
    2、建議不采用突窗：①減少工程量，減少投資。②容易進風、進水。③不利于安全。④不便于清洗。⑤不便于施工。
    3、地下室修改。從原○14軸?○P軸的缺口拉成斜線，增加地下室使用面積約500?（二層）。
    4、主樓向東方向移約10米。①減少與西側建筑物的干擾，采光通風更好。②觀景效果更好。③主樓與地下室方向的嵌固也更好。
    5、修改A、B兩戶型中相鄰的陽臺設計，改原來兩個不規(guī)則的陽臺（詳見圖）改成中規(guī)中矩功能明確的陽臺。①可以改善陽臺功能。②改善傳力途徑。③降低成本，減少工程量。
    6、減少原底板的厚度，由原來的1000mm減至700mm、1500mm減至1200mm、2000mm減至1500mm。①可減少底板砼300mm×4420?=1326m3。②減少挖土量。降低了成本，加快了施工速度。
    7、將配電間移到室外，減少地下一、二層車庫的層高由原設計的地下一、二層的4200mm、3500mm層高都改成3300mm。再將○O、○D軸的梁高度也提高200mm，這樣梁與梁之間的連接更好。由此能提高地下層約1200mm。①減少挖土方量約5000 m3。②加快了施工速度。③降低了投資成本。
    8、改進柱網布置及截面、取消了每個層面的12根鋼柱，約能節(jié)約440噸左右鋼材，并由原設計的圓形鋼柱改成了箱形鋼柱。①減少了用鋼量降低了成本。②縮短了施工期。③柱網的設計與布置更加科學合理。
    9、鋼柱內灌柱混凝土至頂層，原設計中混凝土灌至地下五層。①增加混凝土使用約623 m3。 ②提高主體的穩(wěn)定性，加強了防火能力。
    10、鋼梁的設計根據(jù)鋼結構委員會提出的減少部分次梁經計算約能減少約250噸用鋼量。
    進行細化和優(yōu)化的設計方案不僅大大降低了成本，縮短了施工工期，增加了建筑面積，而且使目前的設計方案更加合理，更加科學，更加規(guī)范，比原先的方案更加成熟。
    一年后，在秀麗的南湖之濱你會看到一座高聳挺拔的現(xiàn)代化鋼結構住宅樓??那就是“住宅鋼結構，中華第一樓”。
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