建筑結構設計成本優化探析

耿彬

（北京世紀安泰建筑工程設計有限公司，北京 100044）

建筑結構設計成本優化探析

耿彬

（北京世紀安泰建筑工程設計有限公司，北京 100044）

為了降低建筑材料用量、節約工程造價，目前許多高層住宅建筑都在鋼筋混凝土結構設計過程中增加混凝土的單位面積和折算厚度，并對鋼筋含量實施限值。論文主要通過實例計算分析高層建筑的結構設計，并運用高強度鋼筋構件和混凝土，其目的是為了在結構設計中做到含鋼量與混凝土單方含量的限值優化，但依然保持建筑原始結構的安全性，使結構設計更加趨于合理。

建筑結構設計;成本優化;含鋼量;混凝土;梁;板

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.008

在高層建筑的施工圖階段，它的主要技術宗旨就是選擇適合的建筑荷載、控制計算混凝土構件的裂縫及配筋問題，本文主要探討如何合理分配樓板結構及梁結構中的含鋼量。

1 建筑的結構設計要點——板

1.1 板中鋼筋的選擇

在裂縫計算過程中，考慮到它的結構板處于室內一類環境，所以，裂縫寬度應該取值0.3～0.4mm范圍內為最佳。一般來說，高層建筑混凝土構件裂縫并非受力承重所致，而多為收縮及溫度裂縫，因此，可以根據塑性內力重分布的思路來為混凝土構件進行計算和配筋。其裂縫驗算公式如下：

由上式可知，混凝土構件裂縫的寬度實際與鋼筋的彈性模量是存在關系的，但與鋼筋的強度無關。目前，利用HRB335級鋼筋與HR4B400級鋼筋對其構件裂縫進行控制，由于二者彈性模量相同，如果配筋量相同那么對裂縫控制效果也會一樣，所以，可以采用性價比相對較高的HRB335級鋼筋[1]。

1.2 板的選擇

板的選擇首先要考慮它的厚度，而且厚度的取值完全取決于板跨及板上的荷載作用。高層建筑結構相對復雜，要在許多方面實施宏觀控制，例如筒體的抗側力構件設計、板厚度設計、單雙向板與邊界條件的區分等等。就以住宅建筑為例，它的荷載不易過大，并且也要配合電線敷設的具體需求，所以板的厚度最低不能小于100mm，而且板的跨度也不能過小。其設計的基本原則是保證通過內力控制來定量板的配筋，盡量選擇高強度配筋，達到節省建筑含鋼量的目的。而不是通過高強度混凝土來控制裂縫問題，因為混凝土的強度并不會起到太多降低建筑結構含鋼量的作用。通常情況下高層建筑項目都會采用HRB400鋼筋來降低結構設計中的含鋼量，并選擇大跨度雙向板來緩解荷載問題，實現成本優化目的。

按照我國的《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖》中所提出的要求，高層建筑采用大跨度雙向板是相對合理的。而為了配合板的設計、節省鋼筋，則選擇分板帶配筋的方法。在這種方法中，板的配筋計算主要分為兩類：塑性理論與彈性理論。彈性理論中將混凝土視為是彈性體，并按照該理論方法來求解大跨度雙向板的內力變形狀況，這種方法相對更加安全，所以被許多建筑項目所采用。相比較而言，塑性理論則趨向于將混凝土作為彈塑性體，并按照塑性理論來分析和求解板所存在的配筋狀況和內力。分板帶配筋方法的核心內容就是圍繞雙向板超靜定結構的特點將它的受力內容重新基于塑性內力進行分配，將雙向板的實際受力狀態歸于常態化，滿足建筑正常使用環境下的極限狀態，也為工程項目取得了較好收益。

在板的構件中可以考慮采用冷軋帶肋焊接鋼筋網片，例如在現澆板中就可以用它來取代普通鋼筋。這種新型鋼筋焊接網片主要用于板筋結構，它所采用的是縱橫鋼筋點焊成網狀結構，并在均勻受力狀態下也能起到黏結錨的作用，再配合鋼筋混凝土的橫肋發生變形，可以大幅度強化混凝土本身的握裹力，避免混凝土裂縫的出現。再者，利用冷軋帶肋鋼筋替代HPB235級鋼筋其本質屬于強代換，所以沒有必要再進行混凝土構件裂縫推理驗算。如果高層地下室為非人防結構，那么它的頂板、樓板和屋面板聯系部位必然薄弱，尤其是像地下室與一樓的轉換層必須加強。它主要采用的是以最小配筋率為原則的雙層雙向拉通配合額外普通鋼筋的綜合性工藝，再根據地下室頂板、樓板和屋面板的豎向荷載狀況來調配鋼筋的數量，以合理計算地下室板結構構件中所需要的含鋼量。如表1就計算了在不同型號鋼筋的配比計算（彈性、塑性計算）后，板中的含鋼量變化。

表1 建筑單體鋼筋計算方法及鋼筋含鋼量統計數據(mm)

根據《冷軋帶肋鋼筋混凝土結構技術規程》中的有關規定，如果用鋼筋混凝土梁來連接單向及雙向板，板的周邊直徑最小不能小于8mm，且板與鋼筋之間間距不能超過200mm。所以，對板結構采用高強度鋼筋后，由于板底配筋依然大部分為構造配筋，相比理論所節省的鋼筋數量更多。如果是采用HRB400級鋼筋，其相比于HPB235級鋼筋用量約減少10.5%～34.8%。而如果采用CRB550冷軋帶肋鋼筋則能夠降低17.5%～33.4%的含鋼量。因此，板結構中板跨越大，含鋼量也就越低，所節省的鋼筋也就越多[2]。

2 高層建筑的結構設計要點——梁

2.1 梁構件設計的配筋率分析

如果對高層建筑的結構梁采用側面構造鋼筋，則最好選擇直徑為10mm的鋼筋。而次梁截面由于在板的厚度與腹板高度上有所減弱，所以可以不用設置側面構造鋼筋。在高層建筑的梁結構施工中，經常用板底附加鋼筋來代替次梁，并按照最小寬度（150～170mm）和最小高度（250～300mm）來實施設計。由于梁的集中荷載處所采用的是附加橫向鋼筋結構，并按照該結構設置計算，所以，附加箍筋可以在次梁的兩側各設置兩個，從而滿足次梁的集中荷載需求。而如果主次梁高度等高，那就可以選擇不對其設置附加鋼筋，降低梁設計的含鋼量使用。

如果以梁構件設計的角度來看，不應該對高層建筑中配筋率低于1.5%的梁選擇適當增加梁寬來降低它的用鋼量。反觀如果梁構件的配筋率高于1.5%，則可以適當增加梁寬來避免超筋現象，實現對縱筋及混凝土裂縫寬度的控制。另外，增加梁高也能適當降低用鋼量，但是這主要要看建筑項目本身的實際條件而定，一般要配合梁構件的跨度來確定梁高。如果對梁的配筋排數與數量相同，則最好選擇直徑較小的鋼筋，這樣做對降低梁的搭接長度與錨固長度損耗都有幫助。

以高層建筑地下停車場頂板為例，如果它的荷載較小，則最好采用十字梁；反之如果荷載很大，則最好采用井字梁。同時，也要考慮地下停車場頂板框架的梁縱筋承載力問題，對其進行計算并控制鋼筋的配筋值。具體講，使用HRB400鋼筋相比于HRB335鋼筋可節省約20%左右的用鋼量。但對于某些高層建筑的梁板式地下室底板結構而言，則主要采用HRB335級鋼筋為最佳。當它的配筋率臨界狀態為2%時，則要改用HRB400級鋼筋，這樣做既能降低縱向鋼筋的配筋量，也能降低梁構件設計中箍筋的用量。

2.2 關于節省高強度鋼筋用鋼量的理論性計算

相比較而言，HRB335與HRB400兩種級別的高強度鋼筋其鋼筋強度設計值應該為300與350N/mm2，所以它們之間的鋼筋強度設計比值就應該為1.16%，這說明后者HRB400的設計比值是高于前者HRB335的，按照市場價格，它們的價格比例約為1.02%。如果考慮在建筑中采用強度較高的HRB400級鋼筋，則能夠節省用鋼量為：1.16÷1.02-1=13.7%。所以利用高強度鋼筋用量節省理論來降低高層建筑結構設計中的含鋼量也是最好的成本優化辦法[3]。

3 結語

高層建筑鋼筋混凝土結構的含鋼量控制是多方面的，本文僅從板與梁構件結構設計來實現對用鋼量的優化與成本的節約。如果能在施工圖階段對設計進行細化，合理選用荷載，并滿足設計規范構造要求，就能實現施工的經濟合理與安全適用性。

【1】何耘天.淺析高層住宅結構設計中的含鋼量控制[J].價值工程, 2010,29(35):83-84.

【2】郭潔萍.探析建筑結構設計中的優化設計措施[J].房地產導刊，2014（30）：101.

【3】梁珊珊.建筑結構設計含鋼量的控制問題解析[J].城市建設理論研究（電子版）,2013(4)：98-99.

Analysis on theCost Optimization of Building Structure Design

GENG Bin
(Beijing Centry Antai Construction Engineering Design Co.Ltd.,Beijing 100044,China)

In order to reduce the amount of constructionmaterials, project cost savings,manyhigh-rise residential buildings have increased per unit area and thickness of the concrete translation in reinforced concrete structure design process, and the implementation of reinforced limit content. This papermainly through the example calculation analyze the structural design of high-rise building basement, and applied to the high strength of reinforced concretemembers and their aimis tomake the design of structures to contain the amount of steel and concrete contents of unilateral limits optimization, but still maintaining the security architecture of the original structure, so that the structural design morereasonable.

architecturedesign;costoptimization;withtheamountofsteel;concrete;beam;plate

TU375;TU973.1+2

A

1007-9467（2016）09-0047-03

2016-04-19

耿彬（1969～），女，北京人，工程師，從事結構工程設計與研究，（電子信箱）13910637022@163.com。