淺析基于成本控制的結構優化設計

劉盛輝 宋恩建

（1陜西鐵路工程職業技術學院 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化設計

劉盛輝1宋恩建2

（1陜西鐵路工程職業技術學院 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）

文章提出了結構優化設計的必要性，探討基于成本控制的鋼筋混凝土結構優化設計方法，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化方案。

鋼筋混凝土；成本控制；結構優化設計

0.引言

建筑結構設計的主要內容：首先需要根據擬建建筑的重要性，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素養。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。拒不完全統計結果顯示，我國建筑業生產水平與發達國家相比，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象[2]。而基于成本控制的結構優化設計呼之欲出，這種理念簡單地說就是在滿足各種規范和要求的條件下，用較經濟的結構設計方法去實現建筑的各項功能，這也是符合當下我國堅持可持續發展道路的基本方針政策?；诔杀究刂频慕Y構優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化設計

1.1 混凝土材料得選擇和優化

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《混凝土結構設計規范》和《建筑抗震設計規范》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，可以充分發揮混凝土受壓強度高的優點、顯著減小柱尺寸，增加建筑實際使用率、提高框架柱抗側剛度、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。因此現澆框架梁的混凝土強度等級不宜大于 C40；對現澆混凝土板而言，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澆板上。故，我們可以根據這個特點從梁、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，已經逐漸被市場淘汰?，F在建筑市場已經轉變觀念，逐步使用性價比高、節能節材的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優先選用HRB400級鋼筋；直徑10～12mm可根據自身情況選擇HRB400和HRB500級鋼筋；直徑14及以上優先選用HRB500級鋼筋。

2.基于成本控制的鋼筋混凝土結構設計優化典型案例

2. 1 框架柱設計的優化

基于框架柱設計取決于軸壓比系數，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約了工程成本。

2.2 框架梁設計的優化

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。所以在進行優化設計是主要是控制這兩個指標著手。根據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，節約用鋼量。除了規范要求的通長鋼筋，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，但是在生產活動中，經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化設計在當下經濟環境下勢在必行。當然我們不能在結構優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、節能環保、便于施工等因素，這才是進行結構優化設計的目的所在。

[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.鋼筋混凝土結構優化設計[J].山西建筑 ，2007(8).

[3]GB50011-2001，建筑抗震設計規范[S].

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

[5]張炳華.土建結構優化設計「M].上海：同濟大學出版社，1998·

陜西鐵路工程職業技術學院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。

G322

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1007-6344（2016）03-0343-01

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