建筑結(jié)構(gòu)設計過程中影響經(jīng)濟性的因素分析

尚國榮 信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司華東分院

1 前言

我國地域遼闊，資源豐富，但是人口眾多，人均占有資源量在世界排名中處于劣勢。因而國家一直倡導創(chuàng)建集約化社會和可持續(xù)發(fā)展社會，要在社會各項生產(chǎn)生活活動中，減少不必要的浪費，節(jié)約資源，為后代子孫的發(fā)展留有更大空間。

建筑工程，在我國GDP中的比重一直占有舉足輕重的地位，建筑工程的發(fā)展是和社會進步、經(jīng)濟發(fā)展程度相一致的?？v向方面，建筑工程涉及從立項、規(guī)劃、設計、施工，直至使用、拆除等階段；橫向方面，建筑工程涉及建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、暖通、道路、景觀、裝修裝飾等眾多專業(yè)。由此可見每個環(huán)節(jié)、每個階段都應該做到合理合規(guī)，才能使得建筑工程在整個生命周期中具有良好的經(jīng)濟性，才能符合國家的可持續(xù)發(fā)展要求。

本文就與筆者工作相關(guān)的結(jié)構(gòu)設計階段，淺析從哪些方面可以最大程度地減少投資提高項目的經(jīng)濟性。

2 方案設計階段

2.1 與建筑專業(yè)相關(guān)配合

建筑專業(yè)需要結(jié)合業(yè)主需求，確定建筑物的各處功能分區(qū)、外立面造型、防火疏散等方案性的內(nèi)容。在此階段結(jié)構(gòu)專業(yè)應該及早介入，在柱網(wǎng)布置、層高、地庫埋深等方面進行把控。

關(guān)于柱網(wǎng)布置，結(jié)合建筑使用功能，應該盡量規(guī)則。在承擔豎向荷載方面，結(jié)構(gòu)重心與質(zhì)心應盡量重合，即質(zhì)量越大的區(qū)域，應該布置對應更多的柱、墻。在承臺水平荷載方面，包括水平地震力、風荷載等，規(guī)則的柱網(wǎng)布置，可以使得傳力路徑短小、簡潔，現(xiàn)階段計算模型的受力模擬與與日后工程實體的實際受力狀態(tài)會更加匹配，模型模擬會更真實、精度更高。不規(guī)則的柱網(wǎng)，傳力路徑不明確，不符合結(jié)構(gòu)概念設計。

關(guān)于層高問題，也應是我們結(jié)構(gòu)專業(yè)關(guān)注的重點。在滿足視覺感受等建筑使用功能的前提下，建筑層高應盡量減少，這也是專業(yè)性的房地產(chǎn)開發(fā)商開發(fā)住宅時常用的手法。暖通方面，層高減小，使得整體的空氣體積變小，暖通的制冷制熱量變少，節(jié)約能耗；照明方面，空間變小可以采用更小功率滿足相應的照度要求；結(jié)構(gòu)方面，層高減小，總高度減小，豎向構(gòu)件墻、柱總長度變短，節(jié)約土建材料，同時由于建筑物可以看作是嵌固于地基上的豎向懸臂構(gòu)件，底部彎矩的大小是與懸臂高度的2次方成正比（M=0.5qL2），所以總高度變小對應便是水平地震力和風荷載產(chǎn)生的底部彎矩變小，結(jié)構(gòu)配筋減少，這方面影響在高層、超高層建筑上更為突出。

一般來說，基礎(chǔ)造價在整體土建造價中占比1/4左右，比重很大。對于有地下室的建筑物，地下室的埋深對于整體經(jīng)濟性有很大影響。

在結(jié)構(gòu)設計方面，埋深越大，周邊擋土墻受到的主動土壓力對應增大，使得擋土墻的截面和配筋加大；在有地下水地區(qū)，根據(jù)阿基米德原理，物體受到的浮力等于排開液體自身的重力，那么埋深越大受到的浮力就越大，同等跨度時，筏板受到的反力更大、配筋增多，柱下使用的抗拔樁數(shù)量增多；另外還有一個人們經(jīng)常忽略的一點，在墻、柱、梁構(gòu)件截面不變的前提下，層高是與剪切剛度成反比的，在GB50011—2010（2016版）《建筑抗震設計規(guī)范》第6.1.14條規(guī)定，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時，結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍，即地下一層側(cè)向剛度應是地上一層側(cè)向剛度的2倍以上，所以如果地下室層高太大，很可能使得這個剛度比無法滿足規(guī)范要求。

通過上述分析我們知道，在滿足使用功能的前提下，方案階段結(jié)構(gòu)專業(yè)便應與建筑設計師進行充分溝通，在柱網(wǎng)、層高、地下室埋深等方面進行仔細推敲，從而使得后期環(huán)節(jié)可以減少很多不必要的材料、資金浪費。

2.2 與設備專業(yè)相關(guān)配合

設備專業(yè)通常包括水、暖、電等幾個專業(yè)，其中電專業(yè)的管線較小，一般走橋架，或者電管鋪設在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)板中，占用空間不大；水專業(yè)末端的管道直徑很小，主要是前端的主管（包括給水、排水、消防噴淋）直徑一般約為100mm～250mm，占用空間一般；暖通專業(yè)因為有通風量要求，管道占用空間最大，末端一般約為150mm～250mm，前端最大可能達到350mm～550mm。

一般前期應與設備專業(yè)協(xié)商，盡量讓他們將較大的管道布置在柱網(wǎng)較小、梁高較小的位置處，其他梁高較大的位置盡量不布置，或者布置小直徑管道，如果能在梁底折彎然后貼板底設置當然更好。在一些特殊部位，梁下走管對凈高影響太大時，可以采用穿梁做法，即高度方向在梁高1/3范圍內(nèi)，并且水平位置盡量居梁跨中，避開左右兩端各1/3剪力較大處，開圓洞以便管道穿越（方形、矩形洞口有直角，容易形成應力集中，應盡量避免）。

目前，BIM技術(shù)應用日趨成熟，相較以往的手工復核，BIM技術(shù)可以用三維立體的形式直觀展現(xiàn)構(gòu)件與各類設備管道的相對關(guān)系，同時將很多錯漏碰缺發(fā)現(xiàn)在設計階段，避免了很多施工階段不必要的返工，對于提高項目整體的經(jīng)濟性起到積極作用。

3 施工圖設計階段

3.1 材料選用

目前磚混體系的建筑物越來越少，大多數(shù)建筑基本都是由鋼材、混凝土作為承重材料，蒸壓加氣混凝土砌塊、輕鋼龍骨石膏板、ALC板、焦渣混凝土、陶粒混凝土等作為分割和填充材料。

建筑非承重材料方面，在住宅類建筑中，一般建成之后功能是固定的，考慮隔聲、吊掛等因素隔墻通常采用200mm厚蒸壓加氣混凝土砌塊，結(jié)構(gòu)專業(yè)此時應與建筑專業(yè)協(xié)商，某些洗手間、衣帽間是否可以改用100mm厚蒸壓加氣混凝土砌塊，以減少荷載；在工業(yè)類建筑中，受工藝影響后期改造可能性很大，一般只在有防火要求的電梯間、樓梯間、防火分區(qū)邊界等這些區(qū)域采用蒸壓加氣混凝土砌塊，其他功能可變區(qū)域均應采用輕鋼龍骨石膏板墻、ALC墻，外墻可以采用玻璃幕墻、彩鋼板墻、ALC墻等；在一些結(jié)構(gòu)降板需要回填區(qū)域，建議圖紙對應位置應明確注明使用焦渣混凝土、陶?；炷恋容p質(zhì)填充材料以減少荷載。

結(jié)構(gòu)承重材料方面，材料選用應滿足規(guī)范的強度、耐久性等要求，同時盡量按照GB50010—2010（2015局部修訂版）《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第4.1.2條的條文說明，提高材料的利用效率，工程中應用的混凝土強度等級必要時宜適當提高；第4.2.1條的條文說明，根據(jù)國家“四節(jié)一環(huán)?！钡囊螅岢珣酶邚姟⒏咝阅茕摻?，逐步淘汰低等級鋼筋。例軸壓比超規(guī)范時，便應考慮提高混凝土強度等級，而不宜只是一味地增大梁、柱截面尺寸。

3.2 活荷載取值

在民用建筑的結(jié)構(gòu)計算中，我們一般是根據(jù)房間的使用功能，查閱GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第5.1.1條得到活荷載標準值輸入到模型中進行計算，方便起見，并沒有嚴格按照GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第5.1.2條根據(jù)從屬面積進行折減。其實按照規(guī)范的精神，直接承擔活荷載的構(gòu)件應采用滿布的計算方法，間接承擔活荷載的構(gòu)件應考慮活荷載的分布概率問題。計算樓板配筋時采用滿布活荷載，并考慮活荷載不利布置；計算梁配筋時，則應該考慮活荷載的分布概率問題，因為這根梁的從屬面積范圍內(nèi)活荷載滿布的概率并不大，當一根梁的從屬面積達到一定面積時，它的活荷載便應乘以折減系數(shù)0.9；對于采用雙向板的汽車庫，其折減系數(shù)可以取0.8，對于采用單向板的汽車庫，其不承擔次梁荷載的主梁、次梁的活荷載標準值折減系數(shù)可以取0.8，其承擔次梁荷載的主梁的活荷載標準值折減系數(shù)可以取0.6；計算墻、柱、基礎(chǔ)時，由于它們是豎向構(gòu)件，根據(jù)傳力路徑：樓板—次梁—主梁—墻、柱—基礎(chǔ)，可以看出，豎向構(gòu)件的從屬面積比梁還要大，對于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第5.1.1條第1（1）項的類別，應考慮樓層數(shù)對活荷載分布概率的影響，按照荷載規(guī)范表5.1.2進行折減，對于第5.1.1條第1（2）～7項的類別，繼續(xù)采用與其樓面梁相同的折減系數(shù)，對于第8項的客車，單向板樓蓋時可以取更小的0.5，雙向板和無梁樓蓋依舊取0.8。

在工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)計算中，荷載規(guī)范給出的取值類型十分有限，一般是根據(jù)工程經(jīng)驗，結(jié)合業(yè)主需求和工藝需求，確定一個活荷載標準值，同時，結(jié)合荷載規(guī)范附錄D的提示，一般應是計算次梁、樓板時采用同一個活荷載標準值，計算主梁、墻、柱、基礎(chǔ)時活荷載應該再乘以折減系數(shù)0.8。通常工業(yè)樓面的活荷載取值較大，嚴格按此折減后再進行主梁、墻、柱、基礎(chǔ)配筋，經(jīng)濟效益很可觀。

關(guān)于消防車活荷載，根據(jù)板跨、覆土厚度取值，對應每個區(qū)間的具體數(shù)據(jù)在《建筑結(jié)構(gòu)設計問答及分析》（第二版）1.2節(jié)有詳細表格可以選用。我們工作中需要注意的是消防車荷載在模型中的布置范圍問題，有些單位是將消防車可能開到的位置全部考慮上荷載（不僅僅是消防車道，其他連通的道路或綠化也算），有些則是嚴格按照總圖上畫的消防車道布置荷載。筆者認為第二種方法是合理的，一般來說非消防車道部分，道路狹窄且沒有回車場，綠化部分有眾多花木植物、假山等景觀，現(xiàn)實中消防車基本無法開進去；消防車荷載在建筑物的整個設計使用年限內(nèi)，出現(xiàn)的概率并不高，而且混凝土結(jié)構(gòu)屬于延性結(jié)構(gòu)，即使有瞬時的過大荷載也不會馬上坍塌，它可以通過塑性變形進行內(nèi)力重分布。所以按照第二種方式布置荷載即可，按第一種方式布置將會造成較大的浪費。

3.3 配筋

配筋的原則是：重點部位適當包絡，普通部位滿足計算。對于傳力不明確的部位，軟件計算結(jié)果明顯不符合常理的部位，對整個結(jié)構(gòu)體系有重要作用的部位，除了復核軟件計算參數(shù)、假定外，是可以進行適當?shù)陌j設計的，其他部位則以滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)為限，不必進行人為的過多的放大。

有不少結(jié)構(gòu)設計師會經(jīng)常在軟件計算配筋的基礎(chǔ)之上自行放大，因為自己心里總是感覺“不安全”，但其實大可不必。仔細研究一下規(guī)范可知，材料強度分項系數(shù)、荷載分項系數(shù)、強柱弱梁系數(shù)、強剪弱彎系數(shù)、強節(jié)點弱桿件系數(shù)等等一系列系數(shù)，將材料局部質(zhì)量的不確定性、活荷載分布的不均勻性、地震力的隨機性等不利因素已經(jīng)進行了充分考慮，為結(jié)構(gòu)整體及局部的安全性構(gòu)筑了堅不可摧的理論基礎(chǔ)，所以我們設計人員的“自行放大”是屬于畫蛇添足。譬如規(guī)范一直強調(diào)“強柱弱梁”，而我們設計人員卻經(jīng)常加大梁配筋，事實上形成了“強梁弱柱”，與抗震概念背道而馳，同時也影響了項目的經(jīng)濟性。

4 結(jié)束語

上述論述對結(jié)構(gòu)設計過程中影響項目經(jīng)濟性的一些主要因素進行了剖析。項目的建設過程是十分復雜的，我們作為結(jié)構(gòu)專業(yè)設計人員，應該從自身做起，在工作過程中從上述幾個主要因素入手，嚴把質(zhì)量關(guān)，減少不必要的浪費，提高項目的經(jīng)濟性，從而為建設集約化和可持續(xù)發(fā)展社會奉獻一份力量。