建筑結構優化設計原則與控制節點

陳海金 羅玲

摘 要 設計是土地開發建設過程中的一個重要環節，是將土地開發建設決策各項內容具體化的過程，設計的合理性是決定建設項目成本造價和經濟效益的重要因素。設計質量的好差直接影響建設費用的多少和建設工期的長短，直接決定人力、物力和財力投入的多少。設計咨詢是房地產項目成本控制的關鍵與重點。通過設計優化，可為建設項目節省成本、降低造價、提升價值、提升利潤。下面筆者主要從結構設計方面談談優化設計方面的一些觀點。

關鍵詞 結構設計優化;建筑成本控制;結構方案比選

1什么是結構設計優化

筆者認為結構優化并非簡單地歸納為降低鋼筋含量控制結構造價。首先，優化不能通過犧牲結構的安全度和抗震性能為代價，而是基于規范基礎之上尋求結構的安全性、適用性和經濟性的統一。結構設計優化是以結構理論為基礎，以工程經驗為前提，以對結構設計規范實質內涵的理解和靈活運用為指導，以先進的結構分析方法為手段，對設計進行深入調整、改善與提高，對成本進行審核和監控，是對結構設計深化再加工的過程。結構優化中的概念設計優化應該是在不同的設計階段尤其在方案和初設階段來解決的，而通常理解的降低鋼筋含量的控制是在施工圖階段去完成。

2為什么需要結構設計優化

大量的統計數據和實踐表明，前期策劃和設計階段（項目策劃、方案設計、初步設計、施工圖設計）影響整個房地產項目投資在80%以上，而結構成本占到建安成本的40%～60%，因此結構設計優化就成為整個設計階段成本控制的重中之重。

合理的結構設計優化能提升建筑設計安全，通過建筑、結構設計優化方案的實施，將建筑設計中的不安全、不合理的影響因素及時排除，使建筑功能更為合理或得到提升，減少和避免設計差錯。設計優化是對設計進行深入調整、改善與提高，對成本進行審核和監控，是對設計再加工的過程。優化過程通過多種方式構建建筑模型，運用不同軟件的技術的支撐對結果比選，分析計算數據，可從源頭上降低工程造價。

3結構優化設計的關鍵控制點

3.1 建筑方案選型

我國建筑方針是“安全、實用、經濟、美觀”，建筑方案的選型不能一味追求視覺沖擊，本末倒置，以怪為美。采用此種建筑方案的結果必然是耗材嚴重，甚至會耗費幾倍于合理范圍的材料用量，建筑師應該樹立意識，從源頭上杜絕采用功能差、效率低、隱患多的不合理方案。

3.2 結構設計參數取值

（1）結構體系的確定：結構體系主要影響抗震相關內力調整系數，軸壓比限值，最小配筋率，應根據實際情況正確選擇。該參數不影響剛度計算，即對周期、位移、位移比沒有影響，但對配筋有影響。

（2）結構所在地區：根據項目所在地進行選擇，除項目在廣東、上海需要特別指定外，其余地區都選擇全國。此處主要是涉及廣東省高規、上海抗規的執行。對于常規結構設計差異不大，主要是廣東省高規剪力墻結構位移角限值放松為1/800。

（3）地下室層數：按四周全埋有效地下室輸入，該參數主要影響周圍土側限的施加及風荷載起算位置。該參數對結構整體計算結果影響較大。

（4）嵌固端所在層號：該參數主要影響嵌固部位內力放大和配筋加強范圍，不影響周期、位移等剛度指標。如有條件盡量選擇嵌固在地下室頂板，即需要滿足剛度比大于2，滿足建筑功能的前提下應優先考慮加墻長，用最低的成本提高最大的剛度，不宜采用加墻厚。加墻厚相應邊緣構件及墻身配筋都會增加，結構造價增加較多。

（5）裙房層數：此處主要是依據《抗規》6.1.10條條文說明，主要影響剪力墻底部加強區高度，對剛度等相關指標無影響[1]。

（6）恒活荷載計算信息：方案、初步設計階段（前幾輪初步計算時），建議采用施工模擬一，該方法計算較快，可節省時間;施工圖設計階段（后幾輪計算時），應采用施工模擬三（分層形成剛度、分層加載，最符合實際情況），該方法計算更加準確，耗時較長。

不計算恒活荷載、一次性加載幾乎從來不用。

（7）地震作用計算信息：一般情況選擇“計算水平地震作用”;對于設防烈度為7度（0.15g）、8度高層建筑結構大跨度（跨度大于24m的樓蓋結構、跨度大于8m的轉換結構）、長懸臂結構（懸挑長度大于2m的懸挑結構），以及9度時應選擇“計算水平和規范簡化方法豎向地震作用”[2]。

（8）生成傳給基礎的剛度：該參數主要影響基礎設計，不影響上部結構計算。建議僅上部結構為剪力墻，基礎為筏板時勾選，其余情況不勾選。考慮上部剛度后，筏板內力將減小，更加經濟。

（9）剛性樓板假定：常規工程建議勾選“整體指標計算采用強剛，其他計算非強剛”，軟件在計算剛心、剛度、周期、位移比時按剛性樓板，計算配筋時按非剛性樓板。

（10）地下室樓板強制采用剛性樓板假定：當地下室為一個整體時，應勾選。當地下室設縫時，不勾選。

（11）建議選擇梁墻自重扣除與柱重疊、樓板自重扣除與梁墻重疊，減小構件自重的重復計算。

（12）根據荷載規范要求正確進行活荷載折減。

3.3 著重優化地下室設計

地下室作為項目配套部分，大部分房地產項目都要求在滿足功能需求車位數的基礎上，盡可能地控制地下室面積。

多數項目中地下室的建造成本較高，根據設計功能，場地地下水分布情況，一般在2000～4000元/㎡左右，成本差異較大;地下室工程的施工周期占項目主體施工周期的40%以上;地下室的停車效率一般在28～40㎡/輛，差異性較大。尤其在項目功能復雜、地質條件復雜的地方，地下室成本離散性更大，地下室的綜合優化已成為成本優化的關鍵點。

在地質情況和上部建筑確定的前提下，地下室含鋼量的三大影響因素：層高（埋深）、覆土、結構方案。

通過地下室設計成本的綜合考慮，使無梁樓蓋大量應用于地下室頂板。無梁樓蓋結構傳力途徑的簡化[現澆梁板樓蓋導荷方式：樓板→次梁（或無） →框架梁 →框架柱;現澆無梁樓蓋導荷方式：樓板→柱帽（或無）→框架柱]、結構材料能夠直接放置在最直接的部位提升傳力效率，也正是這種傳力途徑使得樓板與柱連接部位（柱帽）成為冗余度最少，成為直接影響安全的關鍵部位。無梁樓蓋的板柱節點抗沖切能力弱、呈脆性破壞形式，突發破壞難以預警，屬關鍵性結構構件，結構設計須重點關注沖切承載力復核工作。復核沖切承載力時，要特別注意不平衡彎矩對剪應力的增大影響，通常地下車庫距外墻第一跨框架柱柱帽節點所承受的不平衡彎矩較大，剪應力增加約15%～20%。通過筆者對覆土厚度為1.0m的雙向柱距為8.4m左右地下車庫頂板樓蓋分析歸納，柱帽總高度約為600～750mm左右，若柱帽高度遠小于該值，則設計人員應引起足夠重視，手工復核驗算板柱節點的抗沖切承載能力。且筆者不建議柱帽作為暗梁的加腋考慮，如果柱帽作為暗梁的加腋，則柱帽在承受沖切力的同時又要考慮梁腋的應力，使得該節點的受力狀態變得更加復雜。柱帽對暗梁的加腋作用可作為安全儲備，適當提高結構承載能力冗余度。

3.4 適當優化梁的布置及配筋方式

樓蓋造價占結構總造價的9%～13%，其重量占整個房屋重量的22%左右。梁屬于樓蓋的一部分，其布置直接影響著板的受力情況和配筋，合理布置梁也成為控制造價的關鍵。對于常見的8.1mx8.1m～9.0mx9.0m柱網，標準層等承受荷載較小的樓板優先考慮平行梁或十字梁，其大概綜合成本（計算鋼筋的數量、混凝土的數量和模板的數量）會比井字梁低10%左右，而對于地下室頂板等承受荷載較大的樓板應選用井字梁，以滿足協調受力、保證凈高的要求。同時，可以取消那些小跨度樓板下部為支撐上部較短填充墻而設置的小梁（如廚房、衛生間等），因為樓板本身足以承載那些填充墻，不需要單獨設梁，這樣梁減少，成本降低，空間也變好。在大跨度框架梁配筋方面，應避免上部粗大鋼筋全梁貫通，盡量采用較小直徑鋼筋配置，這樣可以有效節省框架梁的鋼筋用量。

3.5 合理選用混凝土強度

混凝土標號每增加一級，單價提高約5%～8%;對柱、剪力墻、支撐構件等以承受豎向軸力為主的構件，應優先選用高標號混凝土;對梁、板等水平構件，標號高低對梁的承載力變化不大，應選用低標號混凝土;工程設計時通常將墻柱混凝土標號高于梁板混凝土標號一至二個等級，將混凝土承載能力最大化。

3.6 盡量選用高強度鋼筋

HRB335級鋼筋比HPB300級鋼筋單價高約3%，強度提高11%;HRB400級鋼筋比HRB335級鋼筋單價高約2.9%，強度提高20%。因此，設計中除了以最小配筋率控制的構件外，使用HRB400級鋼筋代替傳統的HPB300級鋼筋和HRB335級鋼筋作為受力鋼筋，可有效降低工程的鋼筋用量。條件允許的情況下采用高強度鋼筋，可帶來的經濟效益非常可觀[3]。

4結束語

合理的結構設計優化，能在不犧牲結構的安全度和抗震性能的前提下，為開發建設項目節省成本、降低造價、縮短施工周期，提升開發價值、提高開發利潤。

參考文獻

[1] 混凝土結構設計規范：GB50010-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] 建筑地基基礎設計規范：GB50007-2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.