建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)約用鋼量的方法探討

蚌埠市建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要用到鋼，單位面積的用鋼量大小能夠體現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平，同時(shí)也是投資者比較關(guān)注的指標(biāo)。設(shè)計(jì)用鋼量較少很可能導(dǎo)致建筑的強(qiáng)度不夠，用鋼量較多則會(huì)導(dǎo)致成本過高，無投資者進(jìn)行投資。同時(shí)，投資者在簽訂委托設(shè)計(jì)合同時(shí)一般都會(huì)給出一定的限鋼量要求即“鋼量限額”，當(dāng)然建筑的設(shè)計(jì)安全是第一位的，而且用鋼量很大程度上與建筑的本身有很大的關(guān)系，只有設(shè)計(jì)人員利用自己的專業(yè)知識(shí)來合理調(diào)整建筑的布局，才能達(dá)到減少用鋼量的目的。

文章主要從兩個(gè)方面分析如何減少建筑結(jié)構(gòu)的用鋼量。從宏觀角度分析，建筑設(shè)計(jì)人員在構(gòu)思設(shè)想建筑設(shè)計(jì)方案時(shí)，既要滿足投資方對(duì)建筑的各類功能、造型以及用鋼量的要求，又要利用合理的結(jié)構(gòu)來達(dá)到減少用鋼量的目的。從微觀角度分析，主要是從建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行考量，判斷建筑的結(jié)構(gòu)布置、內(nèi)部構(gòu)件強(qiáng)度以及鋼筋強(qiáng)度是否符合科學(xué)的要求，即從力學(xué)等物理角度分析建筑的用鋼量。

1 宏觀角度下的用鋼量控制

隨著人們對(duì)建筑功能和審美的要求越來越高，建筑中立面的布局也多種多樣，多樣的結(jié)構(gòu)也必然會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，即擁有復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)后很可能有很多地方的強(qiáng)度要求達(dá)不到，需要另外增加一些措施才能夠使建筑的各要求達(dá)標(biāo)，當(dāng)然復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)肯定會(huì)有相應(yīng)的“代價(jià)”，其“代價(jià)”很可能是增加用鋼量，使成本有所提高。因此，設(shè)計(jì)人員不能盲目地減少用鋼量，還要注意建筑設(shè)計(jì)的安全性，必須在相對(duì)薄弱的結(jié)構(gòu)部位采取補(bǔ)強(qiáng)措施。即使建筑的不規(guī)則性會(huì)帶來一些“代價(jià)”，但這些都是必需的，否則其后果更是難以想象。

1.1 建筑整體結(jié)構(gòu)

目前所有建筑的體型分類有以下五種情況：

（1）從建筑的平面上來看，平面越平整越規(guī)則，則用鋼量越少；在同一層上面積相同或相近的情況下，建筑外墻長(zhǎng)度越大，用鋼量就會(huì)越大。建筑平面的形狀很大程度上可以決定用鋼量和建筑結(jié)構(gòu)抵抗各種自然災(zāi)害的強(qiáng)度。

（2）從建筑的垂直方向上來看，建筑的設(shè)計(jì)對(duì)不同的樓層會(huì)有不同的強(qiáng)度和剛度要求，當(dāng)然這與建筑用鋼量的多少有一定的關(guān)系，因?yàn)闃菍釉礁邥?huì)存在樓層面積逐漸縮小的內(nèi)收現(xiàn)象，其剛度要求會(huì)因此有所降低，則其用鋼量也會(huì)因此降低，反之則用鋼量會(huì)增加。

（3）從建筑的抗側(cè)力構(gòu)件的位置關(guān)系上來看，如果建筑的剛度中心同其質(zhì)量中心比較重合或靠近，抗側(cè)力構(gòu)件所設(shè)置的位置能夠產(chǎn)生的抗扭剛度較大，建筑結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)越小，則建筑整體的用鋼量會(huì)有所減少；反之，用鋼量有所增加。對(duì)于建筑部分墻體設(shè)計(jì)不合理的情況，即建筑的形體中心和整體的質(zhì)量中心差別太大，這導(dǎo)致建筑的框架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)力度較大，進(jìn)而導(dǎo)致用鋼量有所增加，這類問題只能通過改進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)布置的方式來解決。

（4）從建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來看，如果存在必要情況下要求豎向構(gòu)件有一定的轉(zhuǎn)換、樓層設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等情況，會(huì)使建筑的受力情況非常復(fù)雜，同時(shí)要求的用鋼量也會(huì)隨之增加不少。

（5）從建筑的各種尺寸上來看，無論是建筑的豎直方向的尺寸及比例，還是平面的長(zhǎng)度及長(zhǎng)寬比、整體樓層的高度等，都會(huì)對(duì)修建時(shí)的用鋼量有一定的影響，這類問題需要設(shè)計(jì)人員在滿足建筑要求的前提下進(jìn)行改進(jìn)。

1.2 建筑具體結(jié)構(gòu)

建筑的結(jié)構(gòu)包括很多種類，下面主要從建筑的柱網(wǎng)、梁板、柱子、屋梁、樓板以及建筑的建造地的地質(zhì)情況方面分析如何減少用鋼量。

（1）建筑柱網(wǎng)尺寸和形狀可決定用鋼量。為了使建筑能夠有比較均勻的受力情況，一般會(huì)每3～6m設(shè)置1根柱子，如果想要減少用鋼量，可以增加每根柱子之間的距離，但為了滿足剛性要求，要求建筑梁和柱子的截面積有所增大。同理，若需要增加柱子的數(shù)量，可以減少柱子間距，每根柱子的承載力降低，用鋼量也會(huì)隨之減少，但如何把控整體總量最少是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的問題。柱網(wǎng)的疏密程度會(huì)影響建筑的用鋼量，分布均勻的柱子會(huì)比分布雜亂的柱子用鋼量少。如果柱網(wǎng)的有關(guān)分布尺寸已有所要求，那么還需要考慮墻柱的尺寸，墻柱的鋼筋配置及混凝土的設(shè)計(jì)都應(yīng)符合要求，此時(shí)可以通過控制墻柱的截面大小來控制用鋼量。如果遇到柱網(wǎng)分布不均勻的情況，不要盲目地加粗部分柱子，更不能為了美觀而加粗所有的柱子，這樣會(huì)增大用鋼量。對(duì)于受力比較大的柱子，可以采取夾芯柱的方式來降低用鋼量，這樣即使是用最少的鋼筋也能達(dá)到目的。

（2）建筑的水平構(gòu)件梁板布置需要遵守以下原則：①因?yàn)榱喊宓淖饔弥饕莻鬟f受力，所以其布置需要簡(jiǎn)單清楚，只要能夠把樓面和墻體荷載傳到框架梁，再由框架梁傳到柱子上即可，如果柱子間的距離太大，則還需要設(shè)置一些主梁。若每層房間的分布非常復(fù)雜或者板塊的距離跨度較大，可以增加次梁，通過次梁將荷載傳遞給主梁。②必要時(shí)可設(shè)置次梁，但其數(shù)量不宜太多。在建筑結(jié)構(gòu)分布是橫豎方向且尺寸差不多的情況下，采用雙向“井”字次梁的結(jié)構(gòu)即可；在建筑結(jié)構(gòu)分布為橫豎方向但尺寸差距較大的情況下，就需要設(shè)置主次屋梁。需注意的是，如果建筑里設(shè)置了過多的次梁，會(huì)使次梁的排布非常緊密，從而增加樓板的厚度，導(dǎo)致建筑的自重增加，同時(shí)還會(huì)增加鋼筋的使用量。③結(jié)合建筑的受力情況和其他因素來確定比較恰當(dāng)?shù)牧褐孛嫘螤睿ǔＧ闆r下其截面形狀為矩形，具體的長(zhǎng)寬也有一定的數(shù)據(jù)參考及限制，同時(shí)還需要考慮樓板的厚度。

（3）選擇柱子的前提是需要承受合理的結(jié)構(gòu)受力，內(nèi)部鋼筋還要滿足最小配筋率以及柱子單偏壓驗(yàn)算雙偏壓復(fù)核的要求?？梢酝ㄟ^提高鋼筋的強(qiáng)度及選擇螺旋形封閉的箍筋來減少鋼筋使用量，但該方法僅適用于受力非常大的柱子。如果遇到建筑中沒有中柱導(dǎo)致建筑受到偏心力的情況，則其柱子的主筋要采用內(nèi)力結(jié)構(gòu)來控制，可以采用形狀合適的柱子或增加柱子截面積的方式，這樣就能有效地減少鋼筋的使用量。

（4）屋梁的設(shè)計(jì)需要在滿足基本受力的情況下恰當(dāng)?shù)卦黾訕菍痈叨龋@樣會(huì)使梁中的混凝土承受相對(duì)較多的內(nèi)力，同時(shí)其中的鋼筋受力會(huì)有所減少，因此能夠減少鋼筋的使用量。但在樓層高度固定的情況下，通過調(diào)整屋梁的寬度可以讓鋼筋的排布情況達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，可以通過在屋梁的跨中和支座的部分位置添加短鋼筋來減少鋼筋的使用量。

（5）樓板的設(shè)計(jì)一般按正常要求設(shè)計(jì)即可，只是在需要一些特殊的板面時(shí)需采取貫通筋的配置方式，其樓板的配筋率不能低于配筋率要求的下限，同樣也可以通過在局部增加支座短筋來達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

（6）建筑的建造地基的地質(zhì)情況也會(huì)影響鋼筋的使用量。如果建筑建造地的地質(zhì)本身的承載能力比較高，則不需要太多的鋼筋混凝土來進(jìn)行地基的加固；若建筑地基的荷載能力不強(qiáng)，則需要提前建設(shè)筏板基礎(chǔ)，在這種情況下同樣也需要盡可能減少鋼筋的使用量，可以利用地下室框架結(jié)構(gòu)即只有鋼筋混凝土的鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，同時(shí)如果建筑樓層太高等導(dǎo)致建筑自重過重，可以采用打樁的方式將建筑的部分重量轉(zhuǎn)移到其他承載力較高的土層上。其中，可利用柱下大承臺(tái)來減少鋼筋的使用量。

2 微觀角度下的用鋼量控制

從微觀角度觀察建筑結(jié)構(gòu)，其主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作上，包括構(gòu)件的配筋構(gòu)造。對(duì)于構(gòu)件的構(gòu)造而言，一般都是有明確的設(shè)計(jì)要求規(guī)定的，在滿足規(guī)定的情況下，仍可以通過一些方法來減少鋼筋的使用量，一般可采用增加鋼筋強(qiáng)度的方式，通常使用的高強(qiáng)度鋼筋是HRB335級(jí)、HRB400級(jí)，還可以使用級(jí)別更高的HRB500級(jí)。同時(shí)，大量的構(gòu)件同樣會(huì)花費(fèi)一筆較大的資金，同樣需要注意這些構(gòu)件的合理構(gòu)造，否則很有可能增加用鋼量。另外，還需注意其構(gòu)件的材料選擇，盡可能減少用于裝飾等的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量。

3 結(jié)論

綜上所述，可以在滿足建筑的各類要求的條件下通過采取一定的措施來減少鋼筋的使用量。從宏觀和微觀的角度分析可發(fā)現(xiàn)許多因素都會(huì)影響建筑建設(shè)過程中的鋼筋使用量，要在能夠滿足建筑的安全和一些特定要求的基礎(chǔ)上減少用鋼量。建筑的鋼筋用量與初期的地基選擇、整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、柱網(wǎng)的分布、梁板的尺寸選擇等有密切關(guān)系，為得到減少用鋼量的最優(yōu)方案，需要考慮多方面因素，并利用專業(yè)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，在滿足建筑的各方面要求的前提下盡可能減少鋼筋的使用量。