淺析基于成本控制的結構優(yōu)化設計

劉盛輝 宋恩建

（1陜西鐵路工程職業(yè)技術學院 渭南市 714000 2中國中鐵航空港建設集團有限公司重慶第四分公司 重慶 404100）

淺析基于成本控制的結構優(yōu)化設計

劉盛輝1宋恩建2

（1陜西鐵路工程職業(yè)技術學院 渭南市 714000 2中國中鐵航空港建設集團有限公司重慶第四分公司 重慶 404100）

文章提出了結構優(yōu)化設計的必要性，探討基于成本控制的鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計方法，分析了混凝土和鋼筋材料的選擇方案對工程造價的影響。最后詳細論述了框架柱和框架梁的結構優(yōu)化方案。

鋼筋混凝土；成本控制；結構優(yōu)化設計

0.引言

建筑結構設計的主要內(nèi)容：首先需要根據(jù)擬建建筑的重要性，建筑設防烈度要求，擬建場地類別、工程地質(zhì)勘查報告，建筑的功能要求等條件確定擬建建筑的結構形式。然后在確定結構形式的基礎上，結合不同結構形式的要求和特點來布置結構的受力構件和承重體系。這里所做的一切都是圍繞結構安全這個首要目標來確定的。這項工作也是一個普通結構工程師所具備的基本職業(yè)素養(yǎng)。疏不知道有的結構工程師為了保障結構的安全度，盲目的加大結構構件截面尺寸，提高混凝土構件含鋼量，這些措施不僅提高了擬建建筑工程造價，更有可能為結構的安全埋下隱患。拒不完全統(tǒng)計結果顯示，我國建筑業(yè)生產(chǎn)水平與發(fā)達國家相比，鋼材的消耗量要高出1～2.5個點，每拌合一方混凝土要多損耗0.075t水泥，總體來說我國的建筑業(yè)管理技術水平落后，結構設計較不合理，存在明顯的浪費資源的現(xiàn)象[2]。而基于成本控制的結構優(yōu)化設計呼之欲出，這種理念簡單地說就是在滿足各種規(guī)范和要求的條件下，用較經(jīng)濟的結構設計方法去實現(xiàn)建筑的各項功能，這也是符合當下我國堅持可持續(xù)發(fā)展道路的基本方針政策。基于成本控制的結構優(yōu)化設計對結構工程師來說，要求就更高了，他需要結構工程師時刻保持成本控制的憂患意識，不斷地進行結構設計方案比選。

1.結構選材的方面的結構優(yōu)化設計

1.1 混凝土材料得選擇和優(yōu)化

鋼筋混凝土結構構件所用的建筑材料主要有兩種混凝土和鋼筋，這兩種材料得選擇會直接影響結構的安全性和結構的成本。

首選對于混凝土材料的選擇必須滿足《混凝土結構設計規(guī)范》和《建筑抗震設計規(guī)范》中要求的最低強度等級，而混凝土材料得強度等級不同，他的材料綜合單價也是不同的，一般情況下混凝土材料強度越高綜合單價越高[1]。以陜西省2009年建筑消耗量定額及價目表給定的條件進行測算：普通混凝土（坍落度180～220mm）,礫石直徑 1～3cm,水泥采用 32.5#普通硅酸鹽水泥在不同強度的材料費用，①C20材料費180.85元/m3；②C25材料費186.11元/m3；③C30材料費204.75元/m3；④C35材料費219.44元/m3。由此可見，混凝土強度每提高一級，強度等級在C25及以下單價約增加4%，C25以上單價增加約10%[1]。

混凝土強度等級增加不同結構構件的影響：對混凝土墻、柱而言，可以充分發(fā)揮混凝土受壓強度高的優(yōu)點、顯著減小柱尺寸，增加建筑實際使用率、提高框架柱抗側(cè)剛度、滿足柱剪壓比要求；對框架梁而言混凝土強度等級的高低對梁的受彎承載力、截面配筋影響不大; 強度等級越高，梁越容易開裂，不宜采用高強度等級。從強度還是從耐久性角度考慮，選擇C25 ～C40 較合適的。因此現(xiàn)澆框架梁的混凝土強度等級不宜大于 C40；對現(xiàn)澆混凝土板而言，凝土強度等級對板的承載力幾乎沒影響，增大板混凝土等級可能會提高板的構造配筋率，同時還會增加板開裂的可能，在滿足強度等級的前提下，盡量采用低強度等級，對現(xiàn)澆板，選擇 C25 ～ C30 較合適[3]。由此可見增大混凝土標號比較適合框架柱和剪力墻構件，不適宜應用在框架梁和現(xiàn)澆板上。故，我們可以根據(jù)這個特點從梁、板方面選擇合理混凝土標號來控制建設成本。

1.2 鋼筋的選擇和優(yōu)化

目前使用量非常大的 HPB235級盤圓鋼在實際工程中存在鋼筋和混凝土之間的粘結力差，材料本身抗拉強度設計值低，同等界面用鋼量大等原因，已經(jīng)逐漸被市場淘汰。現(xiàn)在建筑市場已經(jīng)轉(zhuǎn)變觀念，逐步使用性價比高、節(jié)能節(jié)材的HRB500和HRB400級鋼材。

我們通過實驗和測算，對不同強度等級的鋼筋作為框架柱縱向受力鋼筋進行了簡單的對比：HRB500級鋼與HRB400級鋼對比，強度方面提高了14%而最配筋率減少了0.05%，工程造價增加了9%；HRB500級鋼與HRB400級鋼對比，強度方面提高了14%而最配筋率減少了0.05%，工程造價增加了9%；HRB500級鋼與HRB335級鋼對比，強度方面提高了45%而最配筋率減少了0.1%，工程造價增加了8%；HRB400級鋼與HRB335級鋼對比，強度方面提高了20%而最配筋率減少了0.05%，工程造價增加了4%；HRB335級鋼與HRB235級鋼對比，強度方面提高了43%而最配筋率和工程造價基本沒有發(fā)生變化[4]。

通過上面的對比和測算，在實際工程中，鋼筋直徑在6～8mm優(yōu)先選用HRB400級鋼筋；直徑10～12mm可根據(jù)自身情況選擇HRB400和HRB500級鋼筋；直徑14及以上優(yōu)先選用HRB500級鋼筋。

2.基于成本控制的鋼筋混凝土結構設計優(yōu)化典型案例

2. 1 框架柱設計的優(yōu)化

基于框架柱設計取決于軸壓比系數(shù)，良好的延性是我們對框架柱的期望，而軸壓比卻跟柱的延性成反比，故在軸壓比取值應該適中，這樣才能保證柱截面和用鋼量過大。根據(jù)大量的計算和實踐工程我們總結出：①框架柱截面基本成正方形；②避免在工程中出現(xiàn)短柱；③在柱的三種破壞中，盡量讓柱的破壞形式為大偏心破壞；④柱的箍筋采用xy方向相等的復合箍筋。在做到以上四點的情況下能夠最大限度的提高柱的延性，減少了混凝土和鋼材的使用量，從材料和施工工藝上都大大的節(jié)約了工程成本。

2.2 框架梁設計的優(yōu)化

框架梁的縱向受力鋼筋主要有梁下部受力鋼筋和支座負筋。所以在進行優(yōu)化設計是主要是控制這兩個指標著手。根據(jù)大量的計算和實踐工程我們總結出：①框架梁的混凝土強度不宜過大；②梁截面盡量采用矩形截面，并增大梁的寬度[5]；③縱向受力鋼筋選用高強度螺紋鋼。④在進行梁的縱向上部受力鋼筋盡量配置單排，當無法避免要使用兩排或三排鋼筋的時候，嚴格按照第一排支座負筋取凈跨1/3截斷，第二排支座負筋取凈跨1/3截斷的要求，節(jié)約用鋼量。除了規(guī)范要求的通長鋼筋，我們一般對框架梁上不鋼筋配置成架立鋼筋的形式，架立筋在1/3凈跨范圍內(nèi)用一般采用直徑12或14的螺紋管代替，這種方法完全不影響框架梁的承載力，但是節(jié)約鋼材上卻效果顯著。

3 結語

同樣一個結構形式的建筑物在不同的結構工程師的筆下會出現(xiàn)幾種截然不同的工程造價的建筑物，單從結構設計方面來說沒有對錯，但是在生產(chǎn)活動中，經(jīng)濟安全的設計方案更能適應社會的需求。故基于成本控制的結構優(yōu)化設計在當下經(jīng)濟環(huán)境下勢在必行。當然我們不能在結構優(yōu)化設計中一味地追求低造價，還要通盤考慮整個建筑的安全、功能、美觀、節(jié)能環(huán)保、便于施工等因素，這才是進行結構優(yōu)化設計的目的所在。

[1]陜西省建筑裝飾市政綠化園林綠化工程價目表.西安：陜西人民出版社，2010.

[2]高新艷，杜秀麗.鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計[J].山西建筑 ，2007(8).

[3]GB50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4]孫大偉，陶志軍.淺析建筑結構中的優(yōu)化設計與應用「J].科技創(chuàng)新與應用，2012(23).

[5]張炳華.土建結構優(yōu)化設計「M].上海：同濟大學出版社，1998·

陜西鐵路工程職業(yè)技術學院2014年科研基金資助（編號2014-26）

劉盛輝，男，1984年生，四川什邡人，碩士，講師。

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1007-6344（2016）03-0343-01

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