建筑結構設計的經濟節約與應用

文／谷家想 青島國立設計有限公司 山東青島 266000

李淑 青島市城市建設設計研究院有限公司 山東青島 266000

王晶 中鐵十四局集團有限公司 山東青島 266000

引言：

根據不完全統計，結構設計是影響工程質量的主要因素，約占總事故原因的40%。目前不同的設計單位技術水平參差不齊，工程項目由于設計質量問題而返工、停工等現象屢見不鮮。通過科學合理的結構優化設計，可以使建筑物設計水平不斷提高，減少工程施工風險，提高工程質量的同時，還可達到經濟節約的目標。

1.建筑結構設計對造價成本的影響因素

工程造價控制是施工企業的重點管理內容，與施工各環節密不可分。結合實踐表明，施工各階段對項目成本投入的影響程度存在較大差異，而對項目成本帶來影響主要因素為施工結構設計，主要表現在以下幾個方面：

1.1 結構體系

在建筑物的鋼筋混凝土結構上，主要包括：框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、筒體結構及復雜高層建筑結構等。不同結構體系其應用領域不盡相同，采用不同的結構體系也會產生不同的成本投入。剪力墻結構剛度大、自重大；框架結構抗震性能一般，但水平位移相對較大，整體水平剛度較低；框架—剪力墻結構剛度大，抗震性強，布置較為靈活；筒體結構具有良好的抗側向剛度和強度。因此，在進行結構設計時，不能只考慮結構某一方面的優缺點，而應根據具體工程和成本目標，選用最適宜的結構體系。

1.2 結構布置

在結構布局上，可分為結構平面布置和結構豎向布置。

（1）結構平面布置：按照規范《高層建筑混凝結構技術規程》中的要求，進行結構設計時，以剪力墻結構為例，在平面布置中要盡可能減少短肢墻的數目，借以降低構造筋的使用量，并降低工程造價。且剪力墻結構住宅在平面布置時，應盡量減小拐角開窗，以保持其所處位置的剪力墻，使得平面布置更為合理。

（2）結構豎向布置：采用合理的豎向抗側力構件，使其位于或貼近剛性中心和質心的位置，可以減小結構的扭轉作用，進而減少鋼材用量，降低造價。在進行結構豎向布置設計時，需綜合考慮梁、板、柱、墻的受力情況，使得梁、板、柱、墻的受力最為合理，以獲得最優的樓面荷載傳遞路徑，避免梁的多次復雜傳力。在有隔板的情況下，應將隔板荷載轉換為樓面均勻荷載或直接輸入樓板線荷載，不設橫梁，以降低成本投入。

1.3 構件尺寸

（1）結合現行技術規范的規定，鋼筋混凝土板的常規經濟跨度通常為3m ～4m，板厚度為100mm ～120 mm。考慮到板的變形和裂縫問題，板的厚度一般應在90mm 以上。

（2）在符合相關規范的情況下，柱的軸壓比和梁的配筋率都不能太小，否則會造成“胖柱肥梁”現象，不僅會對室內空間布局、使用帶來負面影響，還會增加基礎尺寸和造價投入。

1.4 建筑材料

（1）在符合有關結構設計規范的情況下，應選用高強度的鋼筋，可以減少工程成本。例如鋼筋混凝土樓板，一般情況下，鋼筋強度等級選用HRB400 級，若使用CRB600H 級別鋼筋，則可以進一步節省鋼筋使用量。

（2）在建筑結構設計中，針對普通住宅工程，樓板跨度較小時，樓板底筋一般按最小配筋率進行配筋。鋼筋級別均為HRB400 的前提下，按照最小配筋率混凝土強度等級C30 較C40 可節省HRB400 鋼6.4%。同時還可以利用合理使用混凝土強度等級，有效減少墻體開裂問題，特別對于建筑物的地下室墻體設計來說，在減少維護成本的同時，也可以避免由于建筑材料引起的其他問題。

1.5 基礎形式

建筑物的地基形式既影響建筑物的直接投入，也關系到基坑的維護和建設周期。目前常見地基形式上，包括獨立基礎、條形基礎、筏形基礎、樁基礎和復合地基。獨立基礎及條形基礎造價較低，但對地基承載力要求較高，在地基條件良好的情況下，盡量采用獨立基礎和條形基礎；地基承載力較低時，可進行不同基礎方案比對，在滿足規范要求的前提下采用較為合理經濟的基礎形式，從而降低工程造價。

1.6 精細化設計

在確定結構設計方案后，需對項目進行深化設計，是控制項目成本的重要環節。在建筑結構設計時，應按工程實際情況進行載荷計算，以避免不必要的荷載放大，使構件截面及配筋增大，提高工程造價；其次需合理確定墻、柱截面尺寸，并按相關結構規范規定的計算方法進行配筋，使墻、柱截面尺寸和配筋均符合設計要求，在保證建筑功能且滿足結構相關規范要求的前提下，實現成本節約。

2.建筑結構設計的經濟節約與應用原則

2.1 安全性

隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，建筑物形式更加多樣化，因此對建筑結構設計提出了更高的要求。建筑結構設計的經濟節約設計在確保結構安全的前提下，通過合理的方式來減少投資、節省造價。必須要注意的是，不要過分追求節約成本，若僅僅以節省成本為結構設計的評判標準，而忽略了安全因素，建筑結構設計的經濟節約則喪失了其意義，無法保證結構的安全性。

2.2 功能性

優化建筑結構設計，使其更好的實現建筑的功能性。但需注意的是，不能單純以減少主要受力構件的方式來提高建筑的空間面積。如今人們對建筑功能提出的要求越來越高，建筑結構設計應通過采用合理的結構體系及結構布置來最大程度上實現建筑需要，然后在此基礎之上再進行精細化設計及優化設計。

2.3 經濟性

建筑工程綜合性很強，融合多領域專業知識，工程規模大。隨著經濟的飛速發展，鋼筋混凝土、水泥、砌體等方面成本投入較高，在項目施工時，施工單位的資金可利用空間有限，這就要求在確保安全、質量的前提下，采用合理的結構設計、材料投入等控制造價，以降低不必要的投資。但是需注意的是，不可因為經濟原因產生“豆腐渣”項目。

3.建筑結構設計的經濟節約與應用途徑

3.1 建筑結構設計的經濟性控制流程

在項目設計之前，對工程項目方案進行審查及調整；選用合理的結構體系；結構平面布局經濟節約；結構模型計算時各項參數按照規范進行選取；施工圖繪制時細部設計模型應注意計算減少材料浪費。

建筑平面布局直接導致結構體系的選擇以及結構布局是否經濟節約。從大量的建筑方案及結構計算結果，可以明確，建筑物的平面規律性（長寬比、凹凸度）、層數（總高度）、層高、面層做法（恒載）、角窗布置、底商轉換、外檐復雜程度等都會對結構設計造成較大影響，從而可能增加造價。因此，從結構設計角度看，方案設計過于復雜，將很難控制總成本。舉例：對于住宅來說，疊拼洋房工程的建筑方案，兩個單元拼接位置處如凹進較大，甚至超出正常寬度的50%以上，將會產生樓板不連續問題，那么就需要在板厚和配筋方面加強，必然會導致成本增加，如果在一開始方案設計時候就盡量避免此類不規則問題，后續結構平面布置會更簡單合理，也能從根本上降低成本。

建筑方案一旦確定，結構體系的選擇已經基本確定。例如，現在普通高層住宅通常為剪力墻結構，公建商業則多為框架結構。那么確定結構平面形狀之后，在采用結構計算軟件進行建模計算時，需結合結構相關規范正確設置模型參數，初步布置結構平面后進行多次計算，根據結果來反復調整各受力構件的截面尺寸以及材料強度等級，使其計算結果在既能滿足所有規范要求的前提下得以實現建筑功能需要，又保證不造成浪費。并且，應當總結多次設計經驗以及施工單位反饋的成本結果，在下次結構設計時，合理運用既往項目總結的經驗。

3.2 三類結構形式比選

3.2.1 基礎形式比選

結合過往施工經驗分析，樁基工程在土建工程總成本中占有10%～20%的比重，在地質條件較差的地區，其成本投入甚至更高。由于工程地質條件的不確定性，使得樁基礎施工費用獨立于結構設計限額指標之外，難以確定其限額指標。因此，選擇樁基礎和處理方式就顯得更加重要。在基礎方案選擇中，若地勘報告僅提出一種樁型建議，應進行多種樁徑、樁長的比較；若是地勘報告提出不同樁型施工方案，則應該制定出不同的樁型、樁徑、樁長施工方案。

3.2.2 地下室頂結構形式比選

影響地下室經濟指標的主要因素為地下室的樓層高度，地下室樓層高度太高，地下室外墻高及基坑深度過大都會造成很大程度上的成本增加，因此，地下室樓層高度的控制尤為重要。就結構專業而言，地下室頂樓蓋形式有井字梁、十字梁、單向密肋梁、框架梁+大板等有梁樓蓋以及無梁樓蓋。應根據項目的不同進行不同的結構方案比對，從而做出最優選擇，最大程度上控制結構梁板占用高度，盡可能保證凈高，從整體上進行土建成本控制。

3.2.3 上部結構比選

上部結構結構方案的選擇主要有：結構體系的選擇和結構平面布局的選擇。對于多層建筑物和大部分的公建建筑來說，如花園別墅、聯排別墅、多層寫字樓、體育館等，在進行結構布局比較時，應優先考慮建筑物的總體布局。如多層住宅可以在框架-剪力墻結構、異形柱結構與剪力墻結構等不同結構體系進行經濟性比選，根據比選結果選擇結構體系。針對高層住宅，一般采用鋼筋混凝土剪力墻結構，則可采用不同的平面布局方式進行必選，選擇成本較低的結構平面布局方案。

3.3 結構設計成本控制要點

3.3.1 細化建筑物的荷載

在進行建筑物的恒荷載計算時，應盡量進行細致計算。如建筑地面施工中的自重計算必須精確，二次結構自重需考慮到門窗的開洞影響。例如：對于疊墅，其南側外墻墻長8m，高度3m，墻壁有兩扇窗，大小3.3m×1.5m、2.4m×1.5m、梁高0.6m，在不考慮窗的情況下，梁的線荷載為5.8kN/m，若考慮窗洞影響，則是3.2kN/m。

3.3.2 控制不同結構構件材料級別

高強度混凝土在柱、墻等豎向受力構件中的應用尤為顯著，特別是在豎向構件軸壓比的控制工作上，其產生的作用尤其突出。混凝土墻及柱僅軸壓比不滿足規范要求時，可以采用提高混凝土強度等級的方式使其滿足規范要求。但對于梁抗彎強度來說，采用高強度混凝土對抗彎強度的提高作用比較有限，不夠經濟。若將高強度混凝土應用于樓板施工中，對板承載力的提高作用微乎其微，但會使結構的配筋率升高，且高強度混凝土板更容易形成裂縫。舉例來說，在超高層建筑物剪力墻中，按不同強度等級的混凝土進行比較分析發現，結構底部各層剪力墻采用高強度混凝土時，其鋼筋量略有下降，約為2%～3%。就鋼筋強度級別而言，對于一些與其強度無關或沒有太大影響的非受力構件的構造配筋，可以選用低強度鋼筋。

3.3.3 對各種結構構件的大小進行控制

控制結構構件尺寸的最終目標是保證整個結構滿足計算要求下實現經濟節約。結構構件尺寸控制主要是對樓板厚度、梁高度及剪力墻厚度的控制。根據板跨度及板面荷載選擇合適的板厚，根據建筑立面及計算要求選擇梁高，以及根據結構布置選擇合適的剪力墻墻肢長度及厚度。地下建筑部分的主要控制部分為基礎底板厚度、擋土墻厚度和框架梁高。舉例來說，在高層住宅建筑中，對不同的剪力墻住宅墻體厚度進行比較，最終發現，采用自底到頂逐步減薄墻厚時，該結構的鋼筋使用量會減少約2%～3%。

3.3.4 控制不同結構構件的配筋率

通過結構構件承載力計算、延性要求、剛度及裂縫等需要得到構件的配筋量，不要隨意擴大配筋計算結果。例如，基礎筏板或者防水板的通長筋可采用最小配筋率進行配置，而后根據計算結果在通長筋的基礎上進行附加鋼筋的布置。

3.3.5 結構構造措施

此項結構構造措施有以下幾個內容：樁防腐、地基防腐、防水、樓板、剪力墻防裂、整體結構耐久性要求、主體結構、圍護結構的抗震構造等。舉例來說，在沿海地區的工程建設過程中，由于地下水侵蝕問題，需遵循GB／T50046《工業建筑防腐蝕設計標準》規定，根據不同的腐蝕程度，采用不同的防腐方法。設計時，需仔細分析腐蝕原因、腐蝕類型和級別，并制定相應對策。這樣的保護措施會對施工成本帶來影響，因此，在做出決策之前，應先進行多個方案的比較。

3.4 其他優化措施

3.4.1 施工階段的制度完善

對于建筑工程的結構設計，由于其涉及的內容比較多，在實際設計中會受到諸多因素的影響和制約。想要確保工程質量，達到控制成本目的，需要從項目施工的角度上設置針對性的施工計劃。科學合理地制訂施工管理制度，并嚴格按照設計要求，對各環節進行細致核對，才能確保設計效果。

3.4.2 在決策過程中實現跨部門協作

在住宅建筑的結構設計環節，多是由設計人員單打獨斗。需在決策過程中，要求設計小組和其他部門共同參與其中，進而從質量、安全性、成本等方面進行分析，以評估結構設計的綜合效能。因此在房屋建筑結構設計過程中，應重視優化決策機制，以保證各部門都可參與到設計活動中去，尤其是工程造價部門的介入，需要多個功能部門的共同協作以獲得最優化設計結果。

3.4.3 充分運用計算機進行結構優化設計

隨著信息化技術的飛速發展，在目前的住宅建筑設計中，計算機技術的應用也越來越廣泛。由于住宅結構設計中經常會受到內外因素的影響，為適應不同的復雜環境，在進行結構設計時，必須充分運用計算機進行設計。通過各種結構計算軟件，其操作簡便、快速。又如，利用CAD 繪圖軟件，可以對結構設計進行快速高效處理，使得結構設計得以較快實現。

4.結構設計經濟節約應用案例

4.1 案例背景

某建筑物共計17 層，地下一層，樓高64.65m。在平面布置方式上，為矩形對稱。抗震設防烈度為7 度，基礎為預應力管樁基礎，上部結構采用剪力墻結構，裙樓采用框架結構。地下室頂樓板為無梁式預應力鋼筋混凝土樓板。隔墻采用120 厚/180 厚灰砂磚，二次構件均采用C25 混凝土，墻、柱、板均采用HRB400 級鋼筋。

4.2 傳統的設計成果

通過結構計算軟件建立結構模型進行結構計算，計算結果為結構總重力荷載26787t，鋼筋用量69.6kg/m2，混凝土使用量為0.60m3/m2。結合各種計算結果表明，鋼筋的有效利用率較低，位移比、剛度比、剪力比、軸壓比、剛重比和彈性層間位移角等數據顯示，安全儲備偏大，說明縱向結構剛度偏大，再結合材料用量指標，均表明存在優化空間。

4.3 結構總體優化效果分析

通過對常規設計結果的分析，可從結構方案設計、細部設計控制、結構設計參數等方面進行優化。其中結構方案設計指的是結構體系、基礎體系、平面造型、高寬比、結構平面布置、樓蓋結構體系等。細部設計控制主要包括材料選擇、細部構造等。結構設計參數應按照規范進行合理取值，不要隨意取值。

通過實例分析，調整樓面梁間距確定合適的樓板跨度及樓板厚度，并適當減小電梯井的剪力墻厚度。通過對剪力墻混凝土強度的調整，可顯著減少剪力墻墻肢長度。

優化后，總重力荷載減少3911t，位移比、剛度比和彈性層間位移角均能滿足設計要求，鋼筋用量降低到58.7kg/㎡，混凝土用量降低到0.52m3/m2。

結語：

綜上所述，通過采用結構設計優化策略，以最少的成本，實現工程項目的造價管理目標。因此，在建筑工程的實際設計過程中，應充分考量結構設計對造價的影響，合理優化結構設計，改善土建的總工程造價，實現經濟節約。