建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含鋼量控制方法研究

苗金國

湖南湘楚鴻飛建筑設(shè)計(jì)有限公司，湖南長沙 410000

建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑的形式與結(jié)構(gòu)安全直接掛鉤。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際進(jìn)行的過程中，不僅要充分考慮結(jié)構(gòu)安全性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還要做好含鋼量的控制以保證建筑造價的控制不突破設(shè)計(jì)指標(biāo)。含鋼量過高或過低都會一定程度上影響建筑質(zhì)量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性能無法保障，為此要求設(shè)計(jì)單位要做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的含鋼量控制工作。

1 含鋼量一般控制范圍

經(jīng)過數(shù)十年我國設(shè)計(jì)工作者在建筑設(shè)計(jì)方面的探究，對于建筑工程的造價和含鋼量基本有了普遍的共識，在不考慮地下室、建筑樁基的情況下，各種建筑的鋼筋投入范圍如表1所示。

表1 建筑工程結(jié)構(gòu)的含鋼量（kg/m2）

2 建筑結(jié)構(gòu)鋼含量的主要影響因素

2.1 建筑抗震等級不同

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，采用不同方式進(jìn)行建筑物的含鋼量測算。抗震等級高的建筑需要的含鋼量必定也多，比如，抗8度地震的建筑和抗9度地震的建筑相比，二者的含鋼量至少相差約40%。

2.2 建筑平面不規(guī)則性的控制

在進(jìn)行建筑物的設(shè)計(jì)時，除了必要的審美和藝術(shù)需求，應(yīng)當(dāng)確保建筑物的造型簡潔，減少因?yàn)樵煨蛯?dǎo)致不必要的墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置以及墻體面積的增加，同時應(yīng)遵守高層建筑高寬比的規(guī)范建議值，高寬比超出建議值越多，間位面積含鋼量越高，建筑物的高寬比控制應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)方案階段進(jìn)行控制和處理。

2.3 使用材料控制

建筑材料的趨勢是輕量化的，所以各建筑物材料可以選擇的輕量化建筑材料范圍較廣；同時建筑物各承重構(gòu)件應(yīng)優(yōu)先選用高強(qiáng)材料，包括高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)度鋼材，在減輕建筑整體重量的情況下，同時減少建筑物各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，從雙方面措施降低建筑物的鋼筋總體含量。

2.4 地質(zhì)條件影響

嚴(yán)格認(rèn)真執(zhí)行“先勘察后設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)不同的建筑地土類別及相應(yīng)參數(shù)選擇合適的建筑布局和建筑結(jié)構(gòu)形式。在勘探過程中考慮土質(zhì)、淺層土壤承載力、地震帶分布、場地土類別等因素對建筑物含鋼量的影響，比如，根據(jù)工程建設(shè)場地土巖土分布范圍和特點(diǎn)，在不同地段設(shè)計(jì)不同層數(shù)和級別的建筑物；對于土質(zhì)松軟承載力低的范圍段就應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少建筑物的層數(shù)或者布置使用荷載相對較小的建筑物、采用輕質(zhì)填充材料能夠滿足使用功能的建筑物或者選用相對經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)類型，盡量做到各結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力能夠不存在過多的富余。

3 建筑設(shè)計(jì)中的含鋼量控制措施

3.1 選用合理的建筑設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的含鋼量控制的時候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)避免建筑設(shè)計(jì)過于追求造型奇特和新穎，導(dǎo)致建材用量和施工成本升高，而應(yīng)當(dāng)選擇簡潔大方，時尚得體的建筑設(shè)計(jì)方案。對于建筑外立面設(shè)計(jì)的要求就是避免曲面的過多出現(xiàn)，避免夸張和復(fù)雜的構(gòu)架。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化整體的設(shè)計(jì)和建筑含鋼量的控制，建筑師應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

3.2 確保結(jié)構(gòu)布置的合理性

3.2.1 選用合理的結(jié)構(gòu)體系

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的開展，應(yīng)優(yōu)先選用具有抗風(fēng)性與抗震性能的結(jié)構(gòu)體系。否則，一旦采用不合理的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，就會導(dǎo)致荷載傳遞關(guān)系更趨復(fù)雜，進(jìn)而造成剛度突變等一系列不良后果。結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)合理性，能夠保證建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的含鋼量控制達(dá)到預(yù)期。

3.2.2 確保柱網(wǎng)尺寸布置合理

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)，合理布置柱網(wǎng)的尺寸，保證柱網(wǎng)尺寸均勻，提升梁、柱的受力合理性，使梁、板、柱等結(jié)構(gòu)的承載能力得到充分的利用，避免過多的承載能力富余，通過精確計(jì)算減少配筋的使用量，最終實(shí)現(xiàn)有效降低建筑含鋼量目的的同時使建筑物使用性能更加優(yōu)化，減少因結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸過大對建筑物使用的影響。

3.2.3 抗側(cè)力構(gòu)建的位置要合適

布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組件時，應(yīng)當(dāng)把抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)置在最具效用的整體結(jié)構(gòu)中，并盡量抗側(cè)力布置在建筑結(jié)構(gòu)的周邊且呈均勻布置狀態(tài)存在，使得建筑物質(zhì)心形心偏差量盡量得小。由此可以有效降低建筑結(jié)構(gòu)中抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的數(shù)量，同時再對抗扭效應(yīng)進(jìn)行精確把關(guān)，使得各抗側(cè)力構(gòu)件的承載能力得到充分的利用，就可以很大程度上減少鋼材的使用量。

3.3 采用合理的基礎(chǔ)形式

由于建筑物的地基在建筑物的整體工程造價中占有很大一部分。鋼筋混凝土的基礎(chǔ)工程量比較大、花費(fèi)時間也比較長，因此在挑選出適宜的基礎(chǔ)形式前，要充分考慮所有相關(guān)因素，比如：

（1）在滿足建筑物使用要求和結(jié)構(gòu)安全的情況下，盡量采用淺基礎(chǔ)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)建設(shè)。

（2）根據(jù)地質(zhì)條件，在滿足承載力要求的情況下，若使用樁基礎(chǔ)則遵循”求短不求長“的原則但同時應(yīng)結(jié)合樁數(shù)與承臺之間的造價關(guān)系的綜合比選。

（3）積極應(yīng)用軟土地基加固技術(shù)，盡量不使用樁基礎(chǔ)；在地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是各巖土層分布均勻性差且?guī)r面埋深大又起伏較大的情況下，樁基礎(chǔ)的成樁可靠性差、樁長度不可控且單樁承載力低，此時仍然采用樁基礎(chǔ)會導(dǎo)致樁基礎(chǔ)和承臺造價不可控。

4 工程實(shí)例

某城市有一個小區(qū)建筑項(xiàng)目工程，小區(qū)內(nèi)合計(jì)有8棟30層的高層住宅建筑，還設(shè)計(jì)有2層的地下室，地下室主要是供業(yè)主停車的車庫，高度分別是3.9、4.8m。建筑物首層架空，高度6m，第二層及以上樓層全部為普通住宅。6度抗震，場地土類別為Ⅱ類，總建筑面積為12萬m2。

4.1 在建筑結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)上控制含鋼量

小區(qū)建筑設(shè)計(jì)的外立面布置不很規(guī)則，存在著許多凹凸面，導(dǎo)致受力分析十分復(fù)雜。主要問題是建筑設(shè)計(jì)采取的設(shè)計(jì)形式使得整體建筑物中部受力不充分，基于該情況，在完成建筑物建設(shè)現(xiàn)場勘察工作后，應(yīng)通過協(xié)調(diào)建設(shè)單位，如，在其中間架設(shè)樓板，以將端部的短肢剪力墻改造為剪力墻。如此，就可對結(jié)構(gòu)體系的墻體剛度進(jìn)行有效控制，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)墻體的數(shù)量確定的科學(xué)合理性。這樣一來，層間位移角就可滿足相關(guān)管理部門制定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 鋼含量合理控制后的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

在完成了相應(yīng)的含鋼量控制措施之后，整體建筑物的含鋼量得到了有效地減少，相應(yīng)地建筑物的建造成本也得到了節(jié)約，表2是通過比較原方案和優(yōu)化后的含鋼量指標(biāo)，直觀地體現(xiàn)出含鋼量的優(yōu)化控制的重要性。

表2 含鋼量控制之后的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

5 結(jié)語

含鋼量在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，對建筑結(jié)構(gòu)的綜合性能有著重要的影響。文章從一般建筑類型的建筑含鋼量說起，介紹了影響建筑物含鋼梁的主要因素；分析了控制建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含鋼量的主要措施；最后通過一個工程實(shí)例，簡潔直觀地體現(xiàn)出進(jìn)行含鋼量控制帶來的好處。含鋼量的控制是貫穿于整個建筑工程中的，相關(guān)單位必須進(jìn)行科學(xué)的布局，合理的使用資源，重視建設(shè)生產(chǎn)過程中的安全問題，促進(jìn)我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展。