建立綠色節約型社會之結構優化設計

萬墨罕

悉地國際設計顧問 （深圳） 有限公司煙臺分公司，山東煙臺 264000

結構設計就是一門關于“用少做大”的學問——即用較少的材料來支撐所給定的荷載或封閉一給定的空間，或不需要用更多的材料即可制造一個具有較大剛度或強度的實體。引用王昌興教授的一句話“綠色建筑關鍵在于結構優化”。結構優化的目的不是不分輕重地都按規范或計算的底限進行設計，而是“物盡其用”，充分發揮材料性能。對影響結構性能的重點、關鍵部位及計算程序不能準確分析或計算模型與實際情況有出入的部分，應重點加強或補充分析，做到有的放矢、突出重點。本文將從降低工程造價方面對結構設計進行探討和分析。

1 結構體系方面

（1） 一般認為，多層剪力墻結構造價要高于異形柱剪力墻結構。筆者曾做過10多個工程的比較，以其中之一進行對比，本工程位于山東省下屬的一個縣級市，2層花園洋房，7度，0.15g，甲方為降低工程造價，要求采用異形柱剪力墻結構。后經過分析計算，分析結果見表1。表中包含結構主體含鋼量、樓梯及其余構造鋼筋未涵蓋。通過表1可以很直觀的看出，剪力墻結構含鋼量要略低于異形柱剪力墻結構，考慮到剪力墻結構可以減少填充墻、填充墻體拉結筋、構造柱數量，所以剪力墻結構無論含鋼量還是工程造價都要明顯優于異形柱剪力結構。甲方欣然接受剪力墻方案，不僅降低了造價，而且提高了項目的品質。另一項目為多層辦公樓，開始甲方堅持采用框架結構，經過計算對比，最終采用的框架剪力墻結構形式。

表1 多層建筑剪力墻和異形柱剪力墻含鋼量分析（ kg/m2）

（2） 山東多數地區屬于丘陵地形，工程依地勢而建，車庫經常會出現三面埋于土中、一面開敞的情況。按照規范，這樣的車庫應該按照地上和地下分別進行計算分析并進行包絡設計。如果車庫上面還有幾棟單體高層建筑，則屬于大底盤多塔結構，屬于復雜高層，面臨各種構造措施的加強，而且嵌固部位也難以取到車庫頂板，所有這些都會帶來造價的增加。如果前期能說服建筑規劃采取原敞開一面堆土覆蓋的措施，使之成為全地下車庫，這些問題便可迎刃而解。

（3） 高寬比較大的建筑物，宜采用抗側力剛度較大的結構體系，其中抗側力構件的布置對含鋼量的影響不容忽視，構件合理布置就易使剛度中心和質量中心重合或接近，從而充分發揮抗側力構件的抗扭剛度，控制扭轉位移比在規范的限制內，避免抗側力構件數量過多或位置不合理造成的多筋超筋現象。按照高度分界點控制建筑物高度。建筑物高度、風荷載大小、地震設防烈度對結構成本會有較大影響，當建筑物高度超過且接近分界點時，盡量通過優化層高、標準層面積、樓層數，使建筑物高度按照高度分界點控制。比如，60m是基本風壓取值的分界點，大于60m的高層建筑，承載力設計時應按基本風壓的1.1倍采用；24m是框架結構抗震等級的分界點；60m是框架—剪力墻結構抗震等級的分界點；80m是剪力墻、框支剪力墻結構抗震等級的分界點；35m是板柱—抗震墻結構抗震等級的分界點；抗震等級每提高一級，內力放大系數、構造措施均有提高。

（4） 車庫頂板的結構形式，一直存在爭議，傳統的主次梁形式已在大多數工程中驗證，用鋼量最高；無梁樓蓋用鋼量本來最低，但無梁樓蓋最近今年出過一些問題，設時不得不額外增加很多構造措施的處理，導致鋼筋量的增加。同時，由于無梁樓蓋不能作為車庫的嵌固層，在實際設計中也存在問題；密肋樓蓋和空心板樓蓋可有效減低層高，特別是建材價格較高時，綜合造價優勢明顯。主梁大板加柱帽是近幾年逐漸流行起來的新的結構形式，主要用于地下車庫樓蓋設計中，采用有限元分析，充分厚板對梁及整體剛度的貢獻。因為有明梁，同時可以滿足規范嵌固端相關范圍為梁板結構的規定。這種結構形式主體含鋼量明顯低于普通梁板結構，值得推廣。

（5） 應選擇經濟合理的樓蓋體系，雙向板比單向板經濟，連續板比簡支板經濟，連續梁比單跨梁經濟，梁少比梁多經濟 （已考慮板厚因素），一般單向次梁比井字梁經濟，預應力樓蓋比非預應力在材料方面經濟等；以上幾種樓蓋對比僅適用于一般情況，具體需根據荷載、跨度、材料價格、施工費用做綜合對比。

（6） 剪力墻結構一般有較大的優化空間。應控制墻體數量，墻的數量應盡可能的少；墻體厚度滿足構造要求和軸壓比要求，在同等墻厚的情況下，如提高混凝土強度等級可減少約束邊緣構件的數量，則應提高混凝土的強度等級，達到優化目的；盡量少用短肢剪力墻，限制一字墻，少做轉換。如果一定要做轉換，轉換數量盡量控制到10%以下。

（7） 控制好層高。因為層高的增加不僅僅對豎向構件的長度和體積有影響，還影響一系列的間接成本，對基礎及相關內容、建筑構件、外裝、設備及運營成本等都有成本影響。據行業內有關單位統計，對于中檔房屋來講層高每增加10cm，就增加30元/m2的造價。控制好層高并不是要犧牲房屋的凈高，因為房屋的凈高是房產客戶極度關注的內容之一，犧牲房屋的凈高降低了建筑產品的價值，就違背了全方位的控制成本的原則，所以一般情況下，控制層高從控制結構的梁高和有效利用機電設計的管道空間上面著手。一般情況下，設計單位僅僅從結構成本這單一成本考慮結構，梁高的經濟合理取值在1/8～1/12梁高，但是若把層高等因素綜合分析宜取1/10～1/16梁高，這是一個經驗取值。如果在實踐中去應用的話需要具體問題具體分析，做好和設計人員的溝通工作同時也要做定量的方案比較。有效利用和壓縮機電空間要從兩個方面著手，首先，在機電管線設計時，在條件許可的情況下，要求設計院做樓層的綜合管線圖 （空調、電纜、水管），采用綜合管線圖對機電管線進行認真的優化，這樣一般可節省近200mm的空間高度；采用綜合管線圖進行優化的另外一個目的就是能夠讓各個專業認真溝通，有效避免差錯。其次，壓縮機電管線空間的另外一個途徑就是讓結構梁和管道空間能夠結合起來，綜合利用，基本方法有采用變截面梁、在梁中預埋預埋管和預留洞口使管線通過、采用設柱帽或無梁樓蓋和讓管道和梁平行布置等方法。

2 結構概念分析問題

重視結構概念設計，運用清晰的結構思維分析問題。所謂的結構概念設計，是指設計人員在從結構選型、布置、分析計算，截面設計到細部處理的整個設計過程中，對所遇到的問題根據建筑結構在各種情況下工作的一般規律，結合實踐經驗，綜合考慮各方面因素，確定合理的分析、處理方法，力求得到最為經濟、合理的結構設計方案。

例如，地下車庫頂板覆土較厚，柱距較大，消防車道下的柱軸壓比很容易超限，這些設計人員可能會考慮加大柱截面或提高柱混凝土強度等級的辦法。實際上此處軸壓比是否一定超限，筆者認為不盡然，因為軸壓比是保證柱抗震延性的重要措施，地震發生時不存在消防車荷載，所以此處可不考慮消防車荷載。

2003版 《全國民用建筑設計技術措施-結構》 和2006版北京市建筑設計研究院 《建筑結構專業技術措施》 均提出地下室頂板，應考慮施工時的堆放荷載控制在5.0kN/m2以內。筆者認為，此處荷載，單獨考慮施工堆載應和單獨考慮頂梁板上的砌體墻荷載取不利情況，而不是同時考慮，因為砌墻后不存在施工堆載。

控制建筑物整體位移，以不超過規范20%為宜，位移太小，建筑物整體剛度偏大，吸收的地震力便大；位移太大超過規范要求，則建筑物整體剛度偏小，結構不安全，很多軟件在計算過程中，并沒有考慮鋼筋的作用，導致計算出整體位移不足，要加以辨別區分。

3 精確計算荷載、多次試算、擇優用之

“精確計算荷載、不乘放大系數、調小歸并系數、著重量大面廣構件、多次試算、擇優用之”，這是引自某甲級院結構技術措施中一句話。對任何種類的民用建筑，梁板柱尺寸在滿足基本剛度、構造措施及防火要求的前提下，盡量取小尺寸。對任何種類的結構，要想節省造價，首先要減小荷載，主要是恒載 （構件自重、樓層建筑做法及墻體等重量） 。重視荷載折減問題，對于底部為商業上部為住宅的項目，柱、墻及基礎折減系數不能統一按照住宅的選取，也不能按照商業不折減，應人為加以調整或在軟件中加以干預，計算應該和實際使用功能相符。

消防車作為偶然荷載，在計算時如果按照普通荷載輸入，應該在規范折減的基礎上對消防車荷載進行進一步的折減，而且構件截面和配筋不必滿足消防車荷載組合下的裂縫和撓度限制，但應滿足平時荷載要求。還應限定車庫頂板的荷載，要求車庫頂板填土應采用倒退施工法，填土完成后，禁止大量堆載及大型車輛駛入。

重視周期折減系數，對于同一種結構形式的建筑，墻體的布置不同，內部空間砌體墻數量的不同，不能全部采用同一折減系數，例如地上車庫，出防火墻之外再無砌體墻，此時折減系數可比規范放松，具體情況具體對待之。

高層建筑物的體型系數應按照荷載規范附錄精確計算，而不應統一采用1.4或1.3，導致項目的資金浪費或不安全。

對于三級鋼，當混凝土強度等級≥C40，最小配筋率將大于0.2%；對于二級鋼，當混凝土強度等級≥C30，最小構造配筋率將大于0.2%，根據以上指標，當混凝土強度等級≥C40后，優先考慮四級鋼；當混凝土強度等級≥C30后，優先考慮三級鋼。

混凝土強度等級對成本的影響。等級增加，單價上升，等級每增加一級，單價提高5%～8%。提高等級可顯著減小柱墻的尺寸，增加建筑實際使用率。正常情況下對梁的承載力影響不大，不宜采用高等級。正常情況下對板的承載力影響很小，但可能提高板的構造配筋率，同時還會增加板開裂的隱患，應盡量采用低等級。

軟件中采用較小的歸并系數，否則就會造成一定程度的浪費。

4 地基及基礎

地基及基礎是降低工程造價最有潛力可挖的方面：小到基礎埋深，大到基礎方案的選擇。基礎方案一般的選擇順序：天然地基—地基處理—預制樁—現澆樁。

地基處理方案的確定，原則上應通過不同的可行方案的經濟性和施工周期的比較來實現。對于地基承載力＜150kPa的地下車庫基礎，采用柱下獨立基礎往往較樁基更不經濟，應慎重比較采用。滿堂布樁經濟性肯定比不上樁集中布置于墻柱下。

地下室的抗浮水位在有條件利用坡地疏導排水的情況下，疏導優于抵抗，首先應降低抗浮水位，以減小地下室底板及側墻的配筋量。地下室外墻應按壓彎構件進行設計。

5 人防

人防頂板采用塑性算法；擴散室尺寸應經精細計算確定，平時接觸的擴散室尺寸往往比計算值大很多；允許延性比是人防結構最重要的參數，不必再進行人防荷載組合下的裂縫和撓度驗算。所有人防構件均進行詳細計算，滿足規范及構造要求，避免“算不清”，加鋼筋的設計誤區，同時人防墻的計算模式應合理選取。

6 參與勘察

對勘察布點和勘察報告所提參數提出合理建議，并提前根據初勘報告在建筑方案階段提出適宜做地庫的位置和適宜的地庫層數。

目前勘察單位水平差距較大，部分單位提的抗浮水位往往不準確，偏保守或不安全，設計院必須仔細分析場區土層剖面，和建成后的地面標高 （有挖方有填方水位會變化），并根據場區周圍的地形地貌，考慮后期其他項目對地下水位造成的影響，判斷提出自己的意見，讓勘察方認可。

7 結語

結構優化應在工期、主體含鋼量及混凝土用量、施工 （人工、材料、施工難易） 、檢測、降水、基坑支護等各方面綜合考慮，降低工程總造價。結構設計優化、結構創新不是憑空想象，而是在為盡力滿足業主和建筑師需求的責任感鞭策下應去面對和開拓的，創新要靠堅定的信心，這種信心可以通過大量不同的模型試驗和計算機模擬分析來建立，但最終還要靠正確的判斷力來把握。為業主創造價值，一方面降低造價成本，另一方面通過結構設計優化，為業主和建筑師開拓建筑物的使用功能，提升建筑本身各方面的附加值。

[1] GB50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[2] GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[3] GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[4] GB50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[5] GB50038-2005，人民防空地下室設計規范[S].