来源:建筑钢结构网 作者: 时间:2009-12-22
关键词:
摘要：
摘要：
广西建筑综合设计研究院 沈巽之 庞全
作者简介：曾主审由科学出版社出版的“新世纪高职高专钢结构”教材的编撰主审工作；发表多篇住宅钢结构的论文；参与北京“金宸公寓”3#、4#楼及南宁“湖滨大厦”等著名钢结构住宅的前期策划、调研和设计、现场施工管理。“金宸公寓”已竣工，现担任南宁“湖滨大厦”工程项目总监，该项目已完成图纸设计并开始基础工程的施工。
关键词：超高层住宅钢结构、不规则建筑平面、核心筒、剪力墙。
一、工程概况：
由广西友立房地产开发有限公司开发的“湖滨大厦”位于翠绿全年如盖、繁花四季似锦、青草一地凝碧、绿树满城婆娑的中国绿城??南宁的南湖之滨。
“湖滨大厦”建筑高度为115米，地下二层约9200?为车库，地上27800?共三十二层，每层面为四户住宅，其中一层为架空层，共124户。配有三台电梯，二个楼梯。建筑平面呈不规则的“蝴蝶”形。坐北朝南，充分表现户户均好原则。宝内通风光良好；功能分区明确；房间布合理；空间充分利用。使每一位户主都能享受阳光，观赏南湖美景，“湖滨大厦”外立面凹凸有致，挺拔飘逸，极具现代气息，是南湖之滨的一座标志性建筑。
大厦的结构部分采用钢结构框架与钢筋混凝土核心筒、剪力墙相结合的结构形式，充分发挥钢结构的优势和特点，取得了较好的整体性和经济性。地下室和主体都采用箱形钢管砼柱，梁采用H型钢梁，设置必要的栓钉连接件与现浇钢筋混凝土楼板作可靠连接。电梯间，楼梯间，剪力墙的主要部位预埋热轧H型钢柱，使钢梁与钢筋混凝土墙有可靠的支撑和连接，承担抗侧、抗扭等水平荷载，钢框架主要承受垂直荷载。
“湖滨大厦”配置中央空调、中央吸尘系统和先进的智能化安防系统等一系列现代化的科技的设备、设施。体现以人为本的现代居住设计理念。展示成熟高尚社区的科学化，现代化、人性化的合理配置。
据薛发先生在2003年“上海钢结构住宅产业与住宅科技博览会”上讲：“……从结构体系及受力的性能上考虑，高层钢结构住宅目前还很少高于三十层，一般也就是二十多层……”。根据资料查阅，至少目前国内没有三十层以上，高于100米的钢结构住宅项目。从资料上看，国内的钢结构住宅的建筑平面大多是矩形的，比如：上海的陆海城（25层），中福城（11层），北京的金宸公寓（13层）以及济南的百花小区（26层）等，都是低于三十层的矩形的建筑平面。国外有一些非矩形钢结构住宅：比如：英国希奈茅斯的18层公寓，建筑平面采用双“Y”相连的形式，澳大利亚有一座13层公寓，建筑平面为“L”形。广西友立房地产开发有限公司，充分考虑每位业主都能在室内享受阳光，享受清新空气，享受优美的南湖风光，采用了“蝴蝶形”的不规则建筑平面设计。
“湖滨大厦”是建设部科技示范工程和建设部钢结构住宅示范工程，已申报了建设部钢结构委员会的钢结构金奖工程，并已编入《2004年中国建设年鉴》。由于南宁“湖滨大厦”有三十四层的高度；外立面高耸挺拔，现代飘逸和不规则“蝴蝶”形的建筑平面设计，被业内人士称为“住宅钢结构、中华第一楼”。（见图一）
[img]200822616345.gif[/img]
二、气候 、地形条件
广西位于北回归线南侧，南宁市座落于广西的中南部，是广西的政治、文化和经济中心，南宁地处低纬度地区，全年受海洋暖湿气流和北方冷气团的交替影响，是国内气温较高，降水较多地区，属亚热带季风气候环境。年平均气温21.6℃ ，最冷月平均气温12.9℃，年降雨天数150.8天，年雪暴雨天88.6天。风向，除七月份为东南风外，多为静风，东风及东北风；平均风速：夏季1.1m/s，冬季1.5m/s，年最大风速35.2m/s；根据全国基本风压区分布图，南宁市基本风压为0.35KN/?。
场地及其周邻地段地面平坦，地面高程约为75.00m左右。地貌属南宁盆地东部，邕江北岸Ⅱ级阶地，阶面宽阔平坦。场地及其周邻地段未发现滑坡、崩塌、塌陷、冲沟切割侵蚀等不良地质作用。场地上部为第四系人工填土和河流冲积覆盖，其厚度约26-29m，第四系冲积层之下分布的是第三系、白垩系，石炭系，泥盆系和寒武系地层。上述地层的分布与组合，构成轴向近东亚的向斜构造盆地。盆地内下伏的第三系地层形状平缓，场地及其附近无大的断裂层通过；盆地北部边缘东北向和近东西向的断裂构造较为明显，以正断层为主，未发现活动性深大断裂。综上所述，场地区域地质较为稳定。场地东南面约100米是南湖，常年水位在地面下约1-2米，南湖水系与邕江相通。场地圆砾层为主要承压水赋存层。场地标高为75.00米，地下水位深6.4-6.99米左右，相差6.5米，经补充调查，最多水位不大于71.17米，即地下3.83米，整个场地稳定性评价：场地无地震断裂带通过，土层较为均匀，属稳定场地，适合兴建高层住宅。
三、场地地质基础
“湖滨大厦”建筑占地约为97米×50米。上部建筑约为53.7米×30.7米。蝶形平面，总高约107.5米（顶高114.8米）。根据详勘报告，场地表面平整，曾经作为周边建筑弃土堆场堆土高约3-4米，历时约3年左右，对表土有明显压密作用。按照揭露顺序，场地土层依次为：①素填土，底面埋深为0.0~2.3米，层厚0.0~2.3米；②硬塑粘土，底面埋深为6~8米厚1.2~8.1米；③粉质粘土-1，可塑，底面埋深为6.8~8.7米，部分钻孔缺失，层厚0~6.1米；④粉质粘土-2，可塑~软塑，底面埋深为14.8~15.3米，层厚5.9~9米；⑤圆砾，砾石含量约70%左右，粒径5~20mm。稍密~中密状态。底面埋深为25.2~27.4米，层厚10~14.1米；⑥-1砂质泥岩，强风化，层厚4米；⑥-2砂质泥岩，中风化，未钻透，推测厚度大于20米。
根据土质情况，经过投资概算比较、常规可靠性分析比较、施工难度选择比较、主楼与地下室沉降协调能力比较等多方位的对比，最终决定采用静压预制方桩与筏板基础作为主楼基础；其它地下室为筏板基础。预制桩为450×450断面，C40混凝土，桩长8.0米，以圆砾层为桩端档力层，估算单桩承载力特征值为Ra=1300KN，其值应以静载试桩的试验结果为准。桩筏分担承载比例为7:3。基础埋置深度从室外地面算至筏板底面约为8.2米，约为建筑高度的十分之一，满足高规第12.1.7条第二款之规定。通过后浇带解决混凝土早期收缩和主楼与地下室裙楼的前期沉降差异。同时确保主楼在地面层的可靠嵌固。
四、设计依据及规范
1、 本工程结构设计采用的主要结构规范、规程及规定：
1．1 建筑结构荷载规范（GB50009-2001）
1．2 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）
1．3 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）
1．4 高层建筑混凝土结构技术规范（JGJ 3-2002）（J186-2002）
1．5 钢结构设计规范（GB50017-2003）
1．6 高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）
1．7 钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）
1．8 建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81-2002）
1．9 钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程JGJ82-91
1．10 钢结构防火涂料应用技术规程（CECS24：90）
1．11 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级（GB 8923-88）
1．12 型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ 138-2001）
1．13 钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS 28：90）
1．14 冷轧带肋钢筋（GB13788-2000）
1．15 冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程（JGJ95-2003）
1．16 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）
1．17 建筑柱基技术规范（JGJ94-94）
1．18 地下工程防水技术规范（GB50108-2001）
1．19 人民防空下室设计规范（GB50038-94）（2003年版）
1．20 砌体结构设计规范（GB50223-95）
1．21 建筑抗震设防分类标准（GB50223-95）
2、本工程、结构设计参考的主要技术资料：
2．1 矩形钢管混凝土结构技术规程（2003年6月15日送审稿）
2．2 天津市钢结构住宅设计规程（2003年5月18日送稿审稿）
2．3 上海市标准高层建筑钢一混凝土混合结构设计规程（2003年4月送审稿）
2．4 南宁市湖滨大厦岩土工程详细勘察报告（广西基础勘察工程有限公司2003年6月）
五、设计使用荷载
1、设计使用荷载
○1 基本风压Wo=0.40KN/?(n=100年)。地面粗糙度C类。
○2 楼（天）面主要均布活荷载标准值（KN/?）：
○3 车库 4.0 KN/?
○4 广场楼板（室外） 35KN/?；（考虑消防车）
○5 广场楼板（花园覆土+活载） 30+5KN/?；（土厚,<1.2米）
○6 住宅楼板 2.0KN/?;
○7 住宅阳台 2.5KN/?；
○8 住宅主卫生间（回填）4.0 KN/?
○9 电梯机房 7.0 KN/?
○10 上人天面 1.5 KN/?
○11 走廊、门厅、楼梯 3.5 KN/?
○12 轻型雨蓬 0.5 KN/?
○13 一层顶吊管、吊顶 2.0KN/?
○14 发电机房、设备用房 10.0 KN/?
○15 人防顶板 55 KN/?
○16 人防外墙 30 KN/?
○17 临空墙 130 KN/?
2、建筑及设备专业提供的初步设计图纸和资料。
3、建设单位的有关设计要求：按高层钢混凝土混合结构进行设计。
六、建筑结构布置
1 建筑结构的安全等级为二级。A级建筑高度抗震设防。
2 结构设计使用年限50年。
3 本工程抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。根据《建筑抗震设防分类标准》GB50223-95，本工程各建筑根据其使用功能的重要性，考虑为丙类建筑，地震作用和抗震设防措施均按6度设计。混凝土剪力墙及混凝土筒体的抗震等级为三级。
4 地基基础设计等级为甲级。
5 人防：地下二层部分设置6级人防。考虑平战结合。
6 基础形式、基础理置深度及持力层名称：高层部分基础拟采用桩筏基础，附属无上部结构的地下车库为筏板基础，以粉质粘土持力层，通过设置排水反滤沟，消除地下水浮力，不设抗浮桩。基础面标高为-7.700米。板底为粉质粘土层。
7 桩的类型、桩端持力层及持力层的深度：桩型考虑静压预制方柱、管柱、灌注柱、人工挖孔柱几种形式。根据地质报告，结合造价因素，权衡后选择静压预制方桩为承重桩型。以圆砾为持力层，桩长约为8.2米左右。结合基坑开挖，联合勘察部门和施工单位，对基底地下水及透水情况再次评估，以确定是否设小直径灌注桩为抗浮桩。
8 基坑支护：高层部分基础采用大开挖，边坡作简易防护，以自然放坡为主；部分场地大开挖后，采用旋喷桩结合锚杆支护。由于浅层粘土力学性质较好，场地周边建筑较远，场地开阔，锚杆锚固可靠，比较经济，拟采用大开挖基坑，边坡作简易防护，以自然放坡为主，根据开挖情况，局部考虑锚杆支护。
9 上部结构选型：采用钢框架-钢筋混凝土剪力墙的结构体系。框架柱采用方钢管砼柱和箱型钢柱。楼板采用现浇钢筋混凝土楼板，并在钢梁上设置栓钉连接件使楼板和钢梁形成组合截面。钢筋混凝土剪力墙的主要部位预埋型钢柱，使钢梁与钢筋混凝土墙有可靠的连接。
10 地下室不设永久缝
地下室考虑防水要求不设永久缝。为解决地下室底、顶板及外墙温度变化、砼收缩及水化热对砼的影响，拟采取每隔30～40米间距留出施工后浇带，带外砼采用补偿收缩砼，带内砼为无收缩砼。带内砼在带外砼浇筑完成两个星期及沉降量达到预定值后再行浇筑。
主楼与无上部结构的地下室裙楼之间，在裙楼一侧设后浇带，以协调主、裙房之间的沉降差异。待主楼沉降基本稳定后浇灌该后浇带。此后浇带与上述收缩后浇带共用。
11 地下室的结构做法和防水等级：地下室柱采用箱型钢管砼柱。梁主要采用H型钢或焊接工字钢梁，设置必要的栓钉连接件与现浇钢筋混凝土楼板可靠联结。外墙采用现浇抗渗钢筋混凝土结构400厚。设计抗渗等级为1.2Mpa。
12 主要结构材料的选用：
[img]200822689613.gif[/img]
地下室底板(包括底板梁)、外侧墙及水池壁采用补偿收缩砼。
基础垫层：用C15素砼(厚度为100)。
2)钢筋：直径<12时采用冷轧带肋钢筋(550级，fy=360Mpa)，直径≥12时采用HRB335钢筋。
3)钢材的材料等级为Q345B。钢材等级见材料表，未注明的材料等级为Q345B。
4)高强螺栓采用10.9S，抗滑移系数0.45。抗剪栓钉为圆柱头栓钉，Q235B。
5)普通螺栓采用C级。
6)电焊条(手工焊)：对于Q235钢，用E4315、E4316；对于Q345钢，用E5015、E5016。
电焊条需满足GB5117-85或GB5118-85。
7)采用自动或半自动焊接时所用的焊丝和焊剂，应与主体金属强度相适应，其质量要求应符合《熔化焊用钢丝》(GB/T14957-94)、《气体保护焊用钢丝》(GB/T14958-94)、《低合金钢埋弧焊剂》(GB/T12470-90)的规定。
13 结构计算软件
本工程按体型复杂的结构。采用了两个结构分析软件进行了整体计算，并考虑弹性楼板。考虑有斜交抗侧力构件，除X、Y方向外同时计算45°和135°方向的水平地震作用。所用的软件为：
1) 高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE；SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。
2） 特殊多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP；广义协调墙元模型。
3） 按照规范，墙、梁、柱设计时活荷载需要折减；基础设计时在JCCAD程序计算时统一折减。
4） 结构自震周期折减系数取0.8。结构阻尼比4.0％。
5） 考虑到应用的普遍性和成熟经验，结构分析结果以SATWE为主，其他程序结果作为验证整体安全性。
14 主要结构特征参数
本工程主体结构分析采用了多方案对比。计算考虑扭转耦连、双向地震作用、P?△效应0°和45°受力计算、25、30、32层的计算分析(首次按25层设计，后结构考虑30层，现在定为32层)。从方案一(整体十分刚性)逐步向方案三(整体相对柔性)进行减少剪力墙的分析，其中进行了用刚性钢支撑取代混凝土剪力墙的计算尝试，结果由于没有合适的部位设置，所设的刚性钢支撑刚性太小，无法完全取代混凝土剪力墙的作用。最终选择方案为方案二。其结果如下：
分析考虑底部嵌固在地下一层楼面处，设计考虑了36个振型组合，前6个振型的自振周期和结构顶点位移及层间最大位移计算结果如下表l至表3：
[img]200822682965.gif[/img]
[img]200822664432.gif[/img]
由上结果可知，在地震作用和风荷载作用下，无论是顶点最大位移还是层间最大位移，最大位移和平均位移之比，最大层间位移与平均层间位移的比值，均满足规范规定的允许值。扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的自振周期之比不大于0.85。最大层间位移为l／999，比较好地满足了外墙考虑采用陶粒混凝土空心砌块的抗裂需要和规范要求。
15 结构整体稳定验算结果
X向刚重比EJD/GH2二2.9；Y向刚重比Ejd/GH2二3.60。
该结构刚重比Ejd/GH2大于1.4，能够通过高规(第5.4.4条)的整体稳定验算。
该结构刚重比Ejd/GH2小于2.7，不需要考虑重力二阶效应。
16 新技术、新结构、新材料的采用：拟采用高强箱型钢管混凝土柱、箱型钢柱、H型钢梁、钢筋混凝土剪力墙结构，填充墙体大量采用轻质预制墙板，外墙采用陶粒混凝土空心砌块，基础底板采用m级钢筋，现浇楼板采用冷轧带肋钢筋，楼面次梁为钢?混凝土组合梁。施工中重点监控地下水位变化，决定是否需要补抗浮桩。混凝土采用外加剂以制成无收缩和微膨胀混凝土。钢结构用于高层住宅在广西是第一次，需要仔细考虑防水问题、防火问题、耐久性问题、隔音问题、与设备工种配合问题、变形许可问题等。
17 采用的标准图集：《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》(01SG519)。
18 施工的特殊要求：施工前，需要制定详细的施工解决方案，重点确定地下室外墙施工支护及后期防水层施工问题；大面积混凝土底板、楼板施工，需要试配无收缩混凝土；钢管混凝土需要确保密实措施；现场焊接，工人技术需要培训和保证；钢结构构件与现浇混凝土构件尺寸要严格控制；监控地下水位变化。根据规范，需要埋设变形、沉降观测点，并进行系统观测。施工单位还需要科学编排施工工期和工序，解决相对孤单的剪力墙超前浇筑的稳定问题。地下室是否需要设置抗拔桩，也需要施工单位在基坑开挖时根据现场情况提供配合来综合确定。
七、优化后的经济技术分析
“湖滨大厦”由广西建筑综合设计研究院设计，设计研究院的领导和设计人员本着认真、严谨的负责态度、科学合理的设计原则，花了大量的时间和精力，几经修改和完善，充分发挥钢结构的优势，不仅很好地满足了使用功能的要求，也取得了很好的经济效益和社会效益。该项目在设计过程中，受到了建设部科技司和钢结构委员会的专家们的极大关注。曾先后面两次组织多名专家对图纸进行会审，并提出了许多宝贵意见，对图纸进行了优化，原先的设计（见图二）：
[img]200822621097.gif[/img]
在电梯间与楼梯间之间的部分是空洞（中庭），经修改后原空洞部分改成公共部分，这样一、就形成了一个很好的抗侧、抗剪、抗扭的核心筒体，大大提高了构件的受力，加强了整体性。二、户型布置更加合理；三、增加了使用面积32层×40?=1280?。（见图三）：
[img]200822670733.gif[/img]
现将一些进行优化后的经济技术进行分析：
1、增加了楼层由原来的二十八层增加到三十三层，增加建筑面积828 ?/层×5层=4125?。
2、建议不采用突窗：①减少工程量，减少投资。②容易进风、进水。③不利于安全。④不便于清洗。⑤不便于施工。
3、地下室修改。从原○14轴?○P轴的缺口拉成斜线，增加地下室使用面积约500?（二层）。
4、主楼向东方向移约10米。①减少与西侧建筑物的干扰，采光通风更好。②观景效果更好。③主楼与地下室方向的嵌固也更好。
5、修改A、B两户型中相邻的阳台设计，改原来两个不规则的阳台（详见图）改成中规中矩功能明确的阳台。①可以改善阳台功能。②改善传力途径。③降低成本，减少工程量。
6、减少原底板的厚度，由原来的1000mm减至700mm、1500mm减至1200mm、2000mm减至1500mm。①可减少底板砼300mm×4420?=1326m3。②减少挖土量。降低了成本，加快了施工速度。
7、将配电间移到室外，减少地下一、二层车库的层高由原设计的地下一、二层的4200mm、3500mm层高都改成3300mm。再将○O、○D轴的梁高度也提高200mm，这样梁与梁之间的连接更好。由此能提高地下层约1200mm。①减少挖土方量约5000 m3。②加快了施工速度。③降低了投资成本。
8、改进柱网布置及截面、取消了每个层面的12根钢柱，约能节约440吨左右钢材，并由原设计的圆形钢柱改成了箱形钢柱。①减少了用钢量降低了成本。②缩短了施工期。③柱网的设计与布置更加科学合理。
9、钢柱内灌柱混凝土至顶层，原设计中混凝土灌至地下五层。①增加混凝土使用约623 m3。 ②提高主体的稳定性，加强了防火能力。
10、钢梁的设计根据钢结构委员会提出的减少部分次梁经计算约能减少约250吨用钢量。
进行细化和优化的设计方案不仅大大降低了成本，缩短了施工工期，增加了建筑面积，而且使目前的设计方案更加合理，更加科学，更加规范，比原先的方案更加成熟。
一年后，在秀丽的南湖之滨你会看到一座高耸挺拔的现代化钢结构住宅楼??那就是“住宅钢结构，中华第一楼”。
