建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則與控制節(jié)點

陳海金 羅玲

摘 要 設(shè)計是土地開發(fā)建設(shè)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是將土地開發(fā)建設(shè)決策各項內(nèi)容具體化的過程，設(shè)計的合理性是決定建設(shè)項目成本造價和經(jīng)濟效益的重要因素。設(shè)計質(zhì)量的好差直接影響建設(shè)費用的多少和建設(shè)工期的長短，直接決定人力、物力和財力投入的多少。設(shè)計咨詢是房地產(chǎn)項目成本控制的關(guān)鍵與重點。通過設(shè)計優(yōu)化，可為建設(shè)項目節(jié)省成本、降低造價、提升價值、提升利潤。下面筆者主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面談?wù)剝?yōu)化設(shè)計方面的一些觀點。

關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化;建筑成本控制;結(jié)構(gòu)方案比選

1什么是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

筆者認為結(jié)構(gòu)優(yōu)化并非簡單地歸納為降低鋼筋含量控制結(jié)構(gòu)造價。首先，優(yōu)化不能通過犧牲結(jié)構(gòu)的安全度和抗震性能為代價，而是基于規(guī)范基礎(chǔ)之上尋求結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是以結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，以工程經(jīng)驗為前提，以對結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范實質(zhì)內(nèi)涵的理解和靈活運用為指導(dǎo)，以先進的結(jié)構(gòu)分析方法為手段，對設(shè)計進行深入調(diào)整、改善與提高，對成本進行審核和監(jiān)控，是對結(jié)構(gòu)設(shè)計深化再加工的過程。結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的概念設(shè)計優(yōu)化應(yīng)該是在不同的設(shè)計階段尤其在方案和初設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實踐表明，前期策劃和設(shè)計階段（項目策劃、方案設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計）影響整個房地產(chǎn)項目投資在80%以上，而結(jié)構(gòu)成本占到建安成本的40%～60%，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化就成為整個設(shè)計階段成本控制的重中之重。

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化能提升建筑設(shè)計安全，通過建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案的實施，將建筑設(shè)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(shè)計差錯。設(shè)計優(yōu)化是對設(shè)計進行深入調(diào)整、改善與提高，對成本進行審核和監(jiān)控，是對設(shè)計再加工的過程。優(yōu)化過程通過多種方式構(gòu)建建筑模型，運用不同軟件的技術(shù)的支撐對結(jié)果比選，分析計算數(shù)據(jù)，可從源頭上降低工程造價。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵控制點

3.1 建筑方案選型

我國建筑方針是“安全、實用、經(jīng)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(jié)果必然是耗材嚴(yán)重，甚至?xí)馁M幾倍于合理范圍的材料用量，建筑師應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)取值

（1）結(jié)構(gòu)體系的確定：結(jié)構(gòu)體系主要影響抗震相關(guān)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，軸壓比限值，最小配筋率，應(yīng)根據(jù)實際情況正確選擇。該參數(shù)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(jié)構(gòu)所在地區(qū)：根據(jù)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(qū)都選擇全國。此處主要是涉及廣東省高規(guī)、上?？挂?guī)的執(zhí)行。對于常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計差異不大，主要是廣東省高規(guī)剪力墻結(jié)構(gòu)位移角限值放松為1/800。

（3）地下室層數(shù)：按四周全埋有效地下室輸入，該參數(shù)主要影響周圍土側(cè)限的施加及風(fēng)荷載起算位置。該參數(shù)對結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果影響較大。

（4）嵌固端所在層號：該參數(shù)主要影響嵌固部位內(nèi)力放大和配筋加強范圍，不影響周期、位移等剛度指標(biāo)。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(yīng)優(yōu)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(yīng)邊緣構(gòu)件及墻身配筋都會增加，結(jié)構(gòu)造價增加較多。

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

（6）恒活荷載計算信息：方案、初步設(shè)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(jié)省時間;施工圖設(shè)計階段（后幾輪計算時），應(yīng)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(zhǔn)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(shè)防烈度為7度（0.15g）、8度高層建筑結(jié)構(gòu)大跨度（跨度大于24m的樓蓋結(jié)構(gòu)、跨度大于8m的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)）、長懸臂結(jié)構(gòu)（懸挑長度大于2m的懸挑結(jié)構(gòu)），以及9度時應(yīng)選擇“計算水平和規(guī)范簡化方法豎向地震作用”[2]。

（8）生成傳給基礎(chǔ)的剛度：該參數(shù)主要影響基礎(chǔ)設(shè)計，不影響上部結(jié)構(gòu)計算。建議僅上部結(jié)構(gòu)為剪力墻，基礎(chǔ)為筏板時勾選，其余情況不勾選?？紤]上部剛度后，筏板內(nèi)力將減小，更加經(jīng)濟。

（9）剛性樓板假定：常規(guī)工程建議勾選“整體指標(biāo)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(dāng)?shù)叵率覟橐粋€整體時，應(yīng)勾選。當(dāng)?shù)叵率以O(shè)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(gòu)件自重的重復(fù)計算。

（12）根據(jù)荷載規(guī)范要求正確進行活荷載折減。

3.3 著重優(yōu)化地下室設(shè)計

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

多數(shù)項目中地下室的建造成本較高，根據(jù)設(shè)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(fù)雜、地質(zhì)條件復(fù)雜的地方，地下室成本離散性更大，地下室的綜合優(yōu)化已成為成本優(yōu)化的關(guān)鍵點。

在地質(zhì)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(jié)構(gòu)方案。

通過地下室設(shè)計成本的綜合考慮，使無梁樓蓋大量應(yīng)用于地下室頂板。無梁樓蓋結(jié)構(gòu)傳力途徑的簡化[現(xiàn)澆梁板樓蓋導(dǎo)荷方式：樓板→次梁（或無） →框架梁 →框架柱;現(xiàn)澆無梁樓蓋導(dǎo)荷方式：樓板→柱帽（或無）→框架柱]、結(jié)構(gòu)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(guān)鍵部位。無梁樓蓋的板柱節(jié)點抗沖切能力弱、呈脆性破壞形式，突發(fā)破壞難以預(yù)警，屬關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計須重點關(guān)注沖切承載力復(fù)核工作。復(fù)核沖切承載力時，要特別注意不平衡彎矩對剪應(yīng)力的增大影響，通常地下車庫距外墻第一跨框架柱柱帽節(jié)點所承受的不平衡彎矩較大，剪應(yīng)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(shè)計人員應(yīng)引起足夠重視，手工復(fù)核驗算板柱節(jié)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(yīng)力，使得該節(jié)點的受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜。柱帽對暗梁的加腋作用可作為安全儲備，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)承載能力冗余度。

3.4 適當(dāng)優(yōu)化梁的布置及配筋方式

樓蓋造價占結(jié)構(gòu)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(guān)鍵。對于常見的8.1mx8.1m～9.0mx9.0m柱網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)層等承受荷載較小的樓板優(yōu)先考慮平行梁或十字梁，其大概綜合成本（計算鋼筋的數(shù)量、混凝土的數(shù)量和模板的數(shù)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(yīng)選用井字梁，以滿足協(xié)調(diào)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(shè)置的小梁（如廚房、衛(wèi)生間等），因為樓板本身足以承載那些填充墻，不需要單獨設(shè)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(yīng)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(jié)省框架梁的鋼筋用量。

3.5 合理選用混凝土強度

混凝土標(biāo)號每增加一級，單價提高約5%～8%;對柱、剪力墻、支撐構(gòu)件等以承受豎向軸力為主的構(gòu)件，應(yīng)優(yōu)先選用高標(biāo)號混凝土;對梁、板等水平構(gòu)件，標(biāo)號高低對梁的承載力變化不大，應(yīng)選用低標(biāo)號混凝土;工程設(shè)計時通常將墻柱混凝土標(biāo)號高于梁板混凝土標(biāo)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(shè)計中除了以最小配筋率控制的構(gòu)件外，使用HRB400級鋼筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jīng)濟效益非?？捎^[3]。

4結(jié)束語

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，能在不犧牲結(jié)構(gòu)的安全度和抗震性能的前提下，為開發(fā)建設(shè)項目節(jié)省成本、降低造價、縮短施工周期，提升開發(fā)價值、提高開發(fā)利潤。

參考文獻

[1] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB50010-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：GB50007-2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.