淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)約用鋼量

張 希 代雪姣

（1.云南安泰建設(shè)工程施工圖審查中心，云南，昆明，650228）

（2.西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，云南，昆明，650051）

淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)約用鋼量

張 希1代雪姣2

（1.云南安泰建設(shè)工程施工圖審查中心，云南，昆明，650228）

（2.西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，云南，昆明，650051）

建筑物單位面積用鋼量是投資方關(guān)注的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)安全并滿足設(shè)計(jì)規(guī)范構(gòu)造要求的前提下，如何實(shí)現(xiàn)用降低用鋼量，本文將給予全方位的分析，希望有助于設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)并提高設(shè)計(jì)技術(shù)水平，樹(shù)立重視技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)意識(shí)

用鋼量；宏觀控制；微觀入手；建筑規(guī)則性；配筋構(gòu)造

一、前言

一棟鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物，其單位面積用鋼量的大小不僅反映出設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平，更重要的是成為投資方較為關(guān)注的指標(biāo)之一，它將直接影響房產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)此設(shè)計(jì)方應(yīng)給予充分的理解和配合。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在保證結(jié)構(gòu)安全、各項(xiàng)配筋構(gòu)造符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，如何減少用鋼量，或者說(shuō)如何使單位面積用鋼量處于一個(gè)合理水準(zhǔn)上，不僅是設(shè)計(jì)者的職責(zé)，而且是衡量設(shè)計(jì)單位技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力高低的重要標(biāo)志。在簽署委托設(shè)計(jì)合同時(shí)，內(nèi)行的投資方往往提出對(duì)用鋼量的限制條款，俗稱“限額”設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為一個(gè)設(shè)計(jì)作品“含鋼量”的多少，往往建筑本身決定的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的所能做的是通過(guò)專業(yè)知識(shí)對(duì)建筑的布置合理的優(yōu)化，減少結(jié)構(gòu)用鋼量。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中能否減少用鋼量或者說(shuō)用鋼量是否為正常水準(zhǔn)，主要有宏觀和微觀兩方面的影響因素，前者指在建筑設(shè)計(jì)方案構(gòu)思時(shí)，在滿足投資方使用功能及建筑造型的條件下，是否具備采用合理結(jié)構(gòu)體系的條件，它主要取決于建筑師的結(jié)構(gòu)概念成熟程度及結(jié)構(gòu)師的參與程度；后者指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)布置是否合理、構(gòu)件截面（包括混凝土強(qiáng)度等級(jí)）是否合適、配筋構(gòu)造是否科學(xué)等，它主要決定于結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件受力原理的掌握、對(duì)構(gòu)件合理設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)規(guī)范條文的理解程度等。下面將從這兩方面展開(kāi)并作詳細(xì)論述。

二、影響用鋼量的宏觀控制

影響建筑物結(jié)構(gòu)用鋼量的宏觀因素，主要是指結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們?cè)诮炭茣?shū)上的結(jié)構(gòu)都是我們俗話所說(shuō)的“火柴盒”其使用功能單一，立面簡(jiǎn)單，柱網(wǎng)整齊，結(jié)構(gòu)規(guī)則整齊，傳力途徑明確，很明顯那是為了教學(xué)，簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)作為規(guī)則的結(jié)構(gòu)，配筋將是最小的；現(xiàn)在建筑功能復(fù)雜，立面變化裝飾變化多樣，所有諸多因素，造成結(jié)構(gòu)變化影響結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，各類結(jié)構(gòu)不規(guī)則，在設(shè)計(jì)規(guī)范中都有相關(guān)的判別計(jì)算方法，并給出了相關(guān)的加強(qiáng)措施，所謂加強(qiáng)措施，即各類結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的代價(jià)，這些代價(jià)或是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，或是影響部分建筑功能（如設(shè)縫等）方法較多，不足而一，簡(jiǎn)單的概括可以理解為，所有的結(jié)構(gòu)不規(guī)則性都是結(jié)構(gòu)為適應(yīng)建筑而產(chǎn)生，而為解決結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性對(duì)建筑產(chǎn)生的不利影響，必然是有代價(jià)的，這個(gè)代價(jià)當(dāng)然也包含用鋼梁的增加，造價(jià)的提高。作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑的不規(guī)則性，作出判別并采取有針對(duì)性的加強(qiáng)，避免薄弱部位過(guò)早的破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞而對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。

首先是建筑物的體型：（1）平面形狀：若平面較規(guī)則、凹凸少則用鋼量就少，反之則較多，每層面積相同或相近而外墻長(zhǎng)度越大的建筑，其用鋼量也就越多，平面形狀是否規(guī)則不僅決定了用鋼量的多少，而且還可衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣，從這點(diǎn)上分析得知用鋼量節(jié)約的結(jié)構(gòu)其抗震性能未必就低。（2）豎向布置：這是指豎向體型的規(guī)則性和均勻性，即外挑或內(nèi)收程度以及豎向剛度有否突變等。如側(cè)向剛度從下到上逐漸均勻變化，則其用鋼量就較少，否則將增多，較典型的有豎向剛度突變的設(shè)轉(zhuǎn)換層的高層建筑。（3）抗側(cè)力構(gòu)件位置：剛度中心與質(zhì)量中心相重合或靠近，或者抗側(cè)力構(gòu)件所在位置能產(chǎn)生較大的抗扭剛度，結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)小，因而結(jié)構(gòu)整體用鋼量就少，反之則多。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中由于剪力墻的布置不合理，形心與質(zhì)量中心偏離大，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)嚴(yán)重，對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力一般較難通過(guò)材料來(lái)解決，必要的時(shí)候只能通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置解決；（4）其他由于建筑要求而出現(xiàn)的豎向構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，大的錯(cuò)層、躍層等結(jié)構(gòu)，由于其受力的復(fù)雜性以及截面較大，用鋼量一般比正常結(jié)構(gòu)要多。（5）豎向高寬比、平面長(zhǎng)寬比、平面長(zhǎng)度尺寸、 柱網(wǎng)尺寸、 層高等因素也會(huì)對(duì)用鋼量產(chǎn)生影響，但這些往往是由于建筑本身的要求決定，建筑師一般都會(huì)注意這些問(wèn)題。

在設(shè)計(jì)中許多年輕的設(shè)計(jì)人員一看到結(jié)構(gòu)超筋信息，就認(rèn)為是構(gòu)件斷面小，不能滿足強(qiáng)度要求，想只要通過(guò)增加構(gòu)件斷面就能解決超筋的問(wèn)題，結(jié)果是經(jīng)過(guò)調(diào)整，解決了這邊超筋的問(wèn)題，那邊又超筋了，有的是越調(diào)整結(jié)果越差，這時(shí)候最能看的出設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)概念，首先我們應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析超筋信息究竟是什么指標(biāo)超限，現(xiàn)在進(jìn)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的時(shí)代，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加注重概念設(shè)計(jì)，許多時(shí)候計(jì)算超限并不一定是構(gòu)件強(qiáng)度不足，而是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)平面或豎向不規(guī)則，所引起的應(yīng)力集中，導(dǎo)致的產(chǎn)生薄弱部位，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念需要仔細(xì)分析，采取有針對(duì)性的措施，能夠得到比較理想的結(jié)果。

三、影響用鋼量的微觀因素

影響建筑物結(jié)構(gòu)用鋼量的微觀因素主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作上，主要是構(gòu)件的配筋構(gòu)造。（1）構(gòu)件的配筋構(gòu)造：由于設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確具體的規(guī)定，在設(shè)計(jì)中通常都不應(yīng)違反，但在符合規(guī)范規(guī)定的前提下，仍有不少設(shè)計(jì)技巧能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。歸納起來(lái)主要是滿足構(gòu)件的承載力要求，同時(shí)也需要滿足各類構(gòu)件最小配筋率要求。充分利用混凝土構(gòu)件剛度大，抗壓性好的特點(diǎn)，鋼筋則是抗拉強(qiáng)度高，抗剪性能較好，但對(duì)剛度的影響較小。對(duì)于受彎、抗剪等構(gòu)件，對(duì)于梁，承受較大荷載的樓板等構(gòu)件，優(yōu)先使用高強(qiáng)度的鋼筋，可使用HRB335、HRB400級(jí)，甚至HRB500級(jí)，對(duì)于柱、墻等構(gòu)件，對(duì)于主要按照軸壓比控制的構(gòu)件，應(yīng)充分利用混凝土的抗壓強(qiáng)度，可選用滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土，對(duì)鋼筋而言強(qiáng)度不一定要很高，只需要滿足最小配筋率的要求，選用HRB335級(jí)、HRB400級(jí)即可，規(guī)范中允許HRB400級(jí)以上鋼筋最小配筋率適當(dāng)減小。（2）各類零星構(gòu)件：許多零星構(gòu)件如飄窗、坡頂、建筑裝飾線條、裝飾構(gòu)件等，許多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中往忽略其做法，殊不知部分零星構(gòu)件在部分建筑中由于量大，施工困難對(duì)建筑造價(jià)的影響不容忽視。部分設(shè)計(jì)人員按照混泥土整體澆筑簡(jiǎn)單的布置一下鋼筋，直接后果就是設(shè)計(jì)及不合理不但施工極為困難，加大不必要的結(jié)構(gòu)自重，成品質(zhì)量難以保證，部分由于受力不合理還有安全隱患。（3）選擇合理的材料，減輕非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如填充墻、裝飾構(gòu)件）的重量，結(jié)構(gòu)地震作用的大小與結(jié)構(gòu)自重成正比。

四、影響用鋼量的其它因素

結(jié)構(gòu)用鋼量的多少還與建筑物抗震等級(jí)有關(guān)，相同的建筑物，設(shè)計(jì)8度抗震的肯定比7度抗震的用鋼量多，這是不言而喻的，因此比較用鋼量時(shí)應(yīng)在相等或相近的條件下進(jìn)行，否則將無(wú)法得出準(zhǔn)確答案。即使抗震烈度相同，相同類型的建筑物所處的場(chǎng)地情況和基礎(chǔ)型式不同，其用鋼量也有相當(dāng)大的差別。當(dāng)場(chǎng)地地質(zhì)條件較好時(shí)，其基礎(chǔ)用鋼量就很少。因此，在比較建筑物單位面積用鋼量時(shí)，必須將地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，否則將得不出實(shí)質(zhì)性的結(jié)論。通過(guò)筆者統(tǒng)計(jì)普通的民用建筑的上部結(jié)構(gòu)含鋼量會(huì)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，當(dāng)含鋼梁偏離正常范圍的1.3倍以上應(yīng)仔細(xì)分析含鋼量偏離較大的原因。

[1]《GB50010-2002》混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

[2]《GB50011-2010》建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

[3]《JGJ3-2002》 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程

[4]《GB50007-2002》建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范

TU684

1674-3954（2011）03-0295-01

張希，1971年生，男，云南昆明人，大學(xué)本科學(xué)歷，高級(jí)工程師、國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師、國(guó)家注冊(cè)咨詢工程師，研究方向：建筑工程。