淺談建筑結構設計中節約用鋼量

張 希 代雪姣

（1.云南安泰建設工程施工圖審查中心，云南，昆明，650228）

（2.西南有色昆明勘測設計院有限公司，云南，昆明，650051）

淺談建筑結構設計中節約用鋼量

張 希1代雪姣2

（1.云南安泰建設工程施工圖審查中心，云南，昆明，650228）

（2.西南有色昆明勘測設計院有限公司，云南，昆明，650051）

建筑物單位面積用鋼量是投資方關注的一個重要技術指標，結構設計在保證結構安全并滿足設計規范構造要求的前提下，如何實現用降低用鋼量，本文將給予全方位的分析，希望有助于設計人員加強結構概念設計并提高設計技術水平，樹立重視技術經濟指標意識

用鋼量；宏觀控制；微觀入手；建筑規則性；配筋構造

一、前言

一棟鋼筋混凝土結構建筑物，其單位面積用鋼量的大小不僅反映出設計人員的技術水平，更重要的是成為投資方較為關注的指標之一，它將直接影響房產開發項目的經濟效益，對此設計方應給予充分的理解和配合。

結構設計中在保證結構安全、各項配筋構造符合設計規范要求的前提下，如何減少用鋼量，或者說如何使單位面積用鋼量處于一個合理水準上，不僅是設計者的職責，而且是衡量設計單位技術水平和市場競爭力高低的重要標志。在簽署委托設計合同時，內行的投資方往往提出對用鋼量的限制條款，俗稱“限額”設計，筆者認為一個設計作品“含鋼量”的多少，往往建筑本身決定的，結構設計師的所能做的是通過專業知識對建筑的布置合理的優化，減少結構用鋼量。

在設計過程中能否減少用鋼量或者說用鋼量是否為正常水準，主要有宏觀和微觀兩方面的影響因素，前者指在建筑設計方案構思時，在滿足投資方使用功能及建筑造型的條件下，是否具備采用合理結構體系的條件，它主要取決于建筑師的結構概念成熟程度及結構師的參與程度；后者指結構設計時，結構布置是否合理、構件截面（包括混凝土強度等級）是否合適、配筋構造是否科學等，它主要決定于結構工程師對結構布置和構件受力原理的掌握、對構件合理設計的經驗以及對規范條文的理解程度等。下面將從這兩方面展開并作詳細論述。

二、影響用鋼量的宏觀控制

影響建筑物結構用鋼量的宏觀因素，主要是指結構的規則性。舉個簡單的例子，我們在教科書上的結構都是我們俗話所說的“火柴盒”其使用功能單一，立面簡單，柱網整齊，結構規則整齊，傳力途徑明確，很明顯那是為了教學，簡化的結構，這樣的結構作為規則的結構，配筋將是最小的；現在建筑功能復雜，立面變化裝飾變化多樣，所有諸多因素，造成結構變化影響結構的不規則，各類結構不規則，在設計規范中都有相關的判別計算方法，并給出了相關的加強措施，所謂加強措施，即各類結構不規則性的代價，這些代價或是加強結構構件，或是影響部分建筑功能（如設縫等）方法較多，不足而一，簡單的概括可以理解為，所有的結構不規則性都是結構為適應建筑而產生，而為解決結構的不規則性對建筑產生的不利影響，必然是有代價的，這個代價當然也包含用鋼梁的增加，造價的提高。作為設計人員應根據建筑的不規則性，作出判別并采取有針對性的加強，避免薄弱部位過早的破壞，導致結構破壞而對生命財產造成巨大的損失。

首先是建筑物的體型：（1）平面形狀：若平面較規則、凹凸少則用鋼量就少，反之則較多，每層面積相同或相近而外墻長度越大的建筑，其用鋼量也就越多，平面形狀是否規則不僅決定了用鋼量的多少，而且還可衡量結構抗震性能的優劣，從這點上分析得知用鋼量節約的結構其抗震性能未必就低。（2）豎向布置：這是指豎向體型的規則性和均勻性，即外挑或內收程度以及豎向剛度有否突變等。如側向剛度從下到上逐漸均勻變化，則其用鋼量就較少，否則將增多，較典型的有豎向剛度突變的設轉換層的高層建筑。（3）抗側力構件位置：剛度中心與質量中心相重合或靠近，或者抗側力構件所在位置能產生較大的抗扭剛度，結構的抗扭效應小，因而結構整體用鋼量就少，反之則多。在框架-剪力墻結構設計中由于剪力墻的布置不合理，形心與質量中心偏離大，造成結構扭轉效應嚴重，對于結構的整體抗扭能力一般較難通過材料來解決，必要的時候只能通過調整結構布置解決；（4）其他由于建筑要求而出現的豎向構件的轉換，大的錯層、躍層等結構，由于其受力的復雜性以及截面較大，用鋼量一般比正常結構要多。（5）豎向高寬比、平面長寬比、平面長度尺寸、 柱網尺寸、 層高等因素也會對用鋼量產生影響，但這些往往是由于建筑本身的要求決定，建筑師一般都會注意這些問題。

在設計中許多年輕的設計人員一看到結構超筋信息，就認為是構件斷面小，不能滿足強度要求，想只要通過增加構件斷面就能解決超筋的問題，結果是經過調整，解決了這邊超筋的問題，那邊又超筋了，有的是越調整結果越差，這時候最能看的出設計人員的設計概念，首先我們應當仔細分析超筋信息究竟是什么指標超限，現在進入計算機輔助設計的時代，結構也越來越復雜，結構設計更加注重概念設計，許多時候計算超限并不一定是構件強度不足，而是因為結構平面或豎向不規則，所引起的應力集中，導致的產生薄弱部位，按照結構設計的基本概念需要仔細分析，采取有針對性的措施，能夠得到比較理想的結果。

三、影響用鋼量的微觀因素

影響建筑物結構用鋼量的微觀因素主要體現在結構工程師對結構設計的具體操作上，主要是構件的配筋構造。（1）構件的配筋構造：由于設計規范中有明確具體的規定，在設計中通常都不應違反，但在符合規范規定的前提下，仍有不少設計技巧能達到節省用鋼量的目的。歸納起來主要是滿足構件的承載力要求，同時也需要滿足各類構件最小配筋率要求。充分利用混凝土構件剛度大，抗壓性好的特點，鋼筋則是抗拉強度高，抗剪性能較好，但對剛度的影響較小。對于受彎、抗剪等構件，對于梁，承受較大荷載的樓板等構件，優先使用高強度的鋼筋，可使用HRB335、HRB400級，甚至HRB500級，對于柱、墻等構件，對于主要按照軸壓比控制的構件，應充分利用混凝土的抗壓強度，可選用滿足設計要求的混凝土，對鋼筋而言強度不一定要很高，只需要滿足最小配筋率的要求，選用HRB335級、HRB400級即可，規范中允許HRB400級以上鋼筋最小配筋率適當減小。（2）各類零星構件：許多零星構件如飄窗、坡頂、建筑裝飾線條、裝飾構件等，許多設計人員在設計過程中往忽略其做法，殊不知部分零星構件在部分建筑中由于量大，施工困難對建筑造價的影響不容忽視。部分設計人員按照混泥土整體澆筑簡單的布置一下鋼筋，直接后果就是設計及不合理不但施工極為困難，加大不必要的結構自重，成品質量難以保證，部分由于受力不合理還有安全隱患。（3）選擇合理的材料，減輕非結構構件（如填充墻、裝飾構件）的重量，結構地震作用的大小與結構自重成正比。

四、影響用鋼量的其它因素

結構用鋼量的多少還與建筑物抗震等級有關，相同的建筑物，設計8度抗震的肯定比7度抗震的用鋼量多，這是不言而喻的，因此比較用鋼量時應在相等或相近的條件下進行，否則將無法得出準確答案。即使抗震烈度相同，相同類型的建筑物所處的場地情況和基礎型式不同，其用鋼量也有相當大的差別。當場地地質條件較好時，其基礎用鋼量就很少。因此，在比較建筑物單位面積用鋼量時，必須將地下結構與地上結構分別計算，否則將得不出實質性的結論。通過筆者統計普通的民用建筑的上部結構含鋼量會在一個相對穩定的范圍，當含鋼梁偏離正常范圍的1.3倍以上應仔細分析含鋼量偏離較大的原因。

[1]《GB50010-2002》混凝土結構設計規范

[2]《GB50011-2010》建筑抗震設計規范

[3]《JGJ3-2002》 高層建筑混凝土結構技術規程

[4]《GB50007-2002》建筑地基基礎設計規范

TU684

1674-3954（2011）03-0295-01

張希，1971年生，男，云南昆明人，大學本科學歷，高級工程師、國家一級注冊結構師、國家注冊咨詢工程師，研究方向：建筑工程。