周凯龙 姚崇
中建一局集团第五建筑有限公司，北京 100024
【摘 要】：以作者参与的多个剪力墙住宅结构为例，从受力原理和规范规定等方面入手，对剪力墙结构进行设计优化，包括：桩基和承台优化、剪力墙厚度和混凝土强度等级优化、边缘构件优化、剪力墙墙身配筋优化等，对可为同类工程提供参考。
【关键词】：剪力墙结构；结构设计；结构优化；边缘构件
Design Optimization and Practice of Shear Wall Residential Structure under
EPC Contract Mode
ZHOU Kai-long YAO Chong
（China Construction First Group The Fifth Construction Co,Ltd.，Beijing 100024，China）
Abstract: Take multiple shear wall housing structures participated by the author as an example.Starting from the force principle and specification,the design optimization of shear wall structure is carried out,including:optimization of pile foundation and cap,optimization of shear wall thickness and concrete strength grade,optimization of edge components, optimization of shear wall reinforcement,which can be a reference for designers。
Keywords: shear wall structure；structure design；structure optimization；edge components
在EPC总承包模式下，设计的主导作用是业主和承包商共同认可的，设计阶段是影响工程投资的重要阶段，据统计资料表示，设计阶段节约投资的可能性能达到85%以上。
建筑结构优化设计是指在满足相关规范或使用功能要求的条件下，使建筑结构的某种指标( 如质量、造价等)为最佳的设计方法。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目标选出最优的方法:即材料最省、造价最低或某些指标最佳的方案或方法。常见中高层剪力墙住宅结构优化主要包括：桩基和承台优化、剪力墙厚度和混凝土强度等级优化、边缘构件优化、剪力墙墙身配筋优化等。本文从规范规定、受力原理等方面入手，给出合理可行的设计优化建议和做法，以达到减少投资、节约工程造价的目的。
1 桩基础和承台优化
1.1 灌注桩配筋优化
对于受压钢筋混凝土灌注桩，《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008[1]规定，当桩身直径为300~2000mm时，正截面配筋率可取0.65~0.2%（小直径桩取大值）。需要注意的是规范只是说小直径取大值，并没有说要采用内插法确定灌注桩的构造配筋率。从规范的条文说明可以看出，0.65%的数值是基于300mm直径桩配6C10的配筋率（0.67%），是基于根数和直径都不能再降低情况的配筋率，这个配筋率上限本身是偏高的，设计者完全可以根据岩土地质情况、轴压比的大小等从概念上判断配筋率，比如对于600mm直径普通受压钢筋混凝土灌注桩，当桩长范围内不存在淤泥、淤泥质土及可液化土层，且采用三级钢并不考虑受压钢筋的作用时，采用6C14（0.33%）是可以的。对受压为主的灌注桩，当桩径超过800mm时，配筋率一般控制在0.2~0.25%为宜（抗拔桩除外）。
1.2 承台配筋优化
单桩承台，承台本身并不受力，仅起到将荷载从柱传递到桩以及为桩顶甩筋与柱底插筋提供锚固作用，因此其厚度满足柱底及桩顶插筋的直线段锚固长度即可，平面尺寸仅需按照《建筑桩基技术规范》第5.4.2.1条要求即可，无需刻意加大，配筋按照构造配筋即可，可参照《混凝土结构构造手册（第四版）》[4]（P488），如图1所示。
.png)
图1 单桩承台配筋示意
两桩承台，下部钢筋按照深受弯构件进行计算，上部钢筋仅作为架立筋兼表面抗裂，采用6C12即可（6肢箍截面），无需再放大，相关构造可参考国标图集《桩基承台》06SG812，如图2所示。
.png)
图2 两桩承台配筋示意
三桩承台和四桩承台，都不存在负弯矩，因此无需在承台顶面配筋，也不必在承台侧面配筋，只需在承台底部配筋，钢筋数量由计算确定。
五桩及五桩以上的多桩承台，当承台上作用有两个或两个以上的墙柱荷载时，承台有可能出现负弯矩，除计算承台下部的正弯矩钢筋外，还需计算承台上部负弯矩钢筋。
2 剪力墙厚度及强度等级优化
对常见的高层剪力墙住宅，底部加强区以上各层墙厚与混凝土强度等应沿竖向收级，不应采用一个厚度、一个强度等级一直到顶的粗放式设计手法。一般情况下，由于剪力墙结构弯曲变形特性，沿竖向分段收级后，层间位移角、周期比、位移比等关键计算指标并无明显变化，而且由于结构自重沿竖向分段减轻，扭转效应甚至会有所减弱。
经济效益体现在多方面，墙减薄后：1）混凝土材料用量降低；2）墙身按双侧0.25%构造配筋率控制的构造配筋可降低；3）构造边缘按构造配筋率控制的配筋可降低；4）结构自重减轻，对抗震及基础有利；5）可增加套内使用面积。混凝土强度等级沿竖向收级后，混凝土材料单价可降低。
以笔者参与的山东菏泽某项目为例，地上31层，地下2层，建筑总高度93.6m，剪力墙结构，原设计在6层以上剪力墙一律采用250/200mm厚C40混凝土，给出的优化建议如下：1）6~12层混凝土强度等级由原C40改为C35，墙厚由250mm改为200mm，原200mm厚墙体厚度不变；2）13~18层混凝土强度等级由原C40改为C30，墙厚统一修改为180mm厚；3）19~顶层混凝土强度等级由原C40改为C25，墙厚统一修改为180mm厚。
优化后经对比分析，技术指标均满足规范要求且与原设计差异甚微（优化前后技术指标对比详见表1），但是经济效益非常显著，经测算优化后全楼可节省工程造价132.6万元，折合地上建筑面积单平米造价降低46.8元/㎡。
表1 优化前后技术指标对比
3 边缘构件设计优化
3.1 约束边缘构件
根据《建筑抗震设计规范》[2](简称《抗规》，下同）第6.5.4.1条规定，剪力墙抗震等级为三级时，当剪力墙轴压比＜0.3时，可不设置约束边缘构件。某剪力墙住宅结构底层剪力墙墙肢轴压比除个别外，其余轴压比均在0.31～0.34，可以通过将原底部加强区剪力墙的混凝土强度等级C40提高为C45，控制剪力墙墙肢轴压比在0.3以内，使边缘构件全部为构造边缘构件，实现约束边缘构件向构造边缘构件的转化。提高混凝土强度等级后的轴压比如图2所示。
.png)
图2 轴压比对比（修改混凝土强度等级）
经过提高混凝土强度等级后，剪力墙原来设置约束边缘构件处均可改为构造边缘构件。修改后的边缘构件配筋如图3所示。
.png)
图3 边缘构件配筋对比
由图3配筋表对比可知，将约束边缘构件改为构造边缘构件后，纵筋配筋面积减少了56%，箍筋配筋面积减少了36%。
3.2 构造边缘构件
《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》，下同）(JGJ3-2010)[3]7.2.16给出了构造边缘构件的最小配筋要求，对表中的其他部位（非底部加强部位），竖向钢筋应按两种不同直径钢筋组合的配筋形式，以便能够最大限度满足规范规定的最小配筋量的同时降低钢筋总量，相关优化配筋建议如表2所示。
表2 非底部加强部位构造边缘构件配筋建议
笔者对曾经参与的某二级抗震非底部加强部位的构造边缘构件，按照上述原则采用组合配筋的形式进行优化，如图4所示，优化后纵筋配筋面积减少38%，非底部加强部位在整个上部结构中占的比例很大，因此优化配筋的经济效益很客观。
图4 构造边缘构件（非底部加强部位）配筋对比
4 剪力墙墙身配筋优化
《抗规》和《高规》均以强制性条文的形式对剪力墙的水平与竖向分布钢筋做出规定，必须严格遵守。从受力的角度，除个别墙肢的水平分布钢筋在墙肢混凝土抗剪能力不足时可能会参与抗剪，绝大多数的水平分布钢筋均为构造控制，无需放大；墙身竖向分布钢筋，除了一级抗震等级剪力墙的施工缝验算（《高规》7.2.12）有计算需要外，其主要作用是固定水平分布钢筋，从而形成钢筋网片，防止墙面出现水平收缩裂缝，其他情况下绝大多数竖向分布钢筋均为构造控制，无需放大。
剪力墙墙身分布钢筋的管控要点只有一个，就是坚持规范最小配筋率不动摇，最大限度接近最小配筋率。一般住宅剪力墙水平和竖向分布筋选用表如表3所示。
表3 一般住宅剪力墙水平和竖向分布筋选用表
.png)
5 结语
在EPC承包模式下，在设计阶段通过与设计单位充分沟通，在图纸外审之前进行设计优化落地，避免重复进行图纸报审，可较好的对设计进行管控，有效的控制成本。
常见中高层住宅剪力墙结构一般除底部加强部位为计算控制外，其余大多为规范构造要求控制。本文从桩基、承台、墙厚和混凝土强度缩进、边缘构件、剪力墙墙身等方面，给出切实可行的设计优化建议，旨在为类似工程提供借鉴和指导。
参考文献
[1] JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》[S].
[2] GB50010-2010（2016年版）《建筑抗震设计规
范》[S].
[3]JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[S].
[4]《混凝土结构构造手册（第四版）》[M].北京：中国建筑工业出版社,2012