中美建筑活荷載、抗震設(shè)計(jì)對(duì)比及對(duì)海外總承包項(xiàng)目的影響

艾純志

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

2013年中國(guó)提出共建“一帶一路”倡議,中國(guó)有色金屬企業(yè)、工程公司、設(shè)計(jì)院加速走出國(guó)門(mén),在海外興建或承攬EPC總承包項(xiàng)目。這些工程項(xiàng)目所在地主要集中在南美洲、中東、東南亞等地,上述地區(qū)國(guó)家土建標(biāo)準(zhǔn)均是在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)原文進(jìn)行摘抄、增刪、修訂,或者直接引用,均屬于美標(biāo)體系。這些國(guó)家當(dāng)?shù)厥┕て髽I(yè)只能按美標(biāo)要求施工,業(yè)主聘請(qǐng)的PMC團(tuán)隊(duì)也只能按照美標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)審查、施工過(guò)程監(jiān)督和工程驗(yàn)收。因此,很多工程項(xiàng)目的建設(shè)方出于上述考慮,會(huì)在合同中要求總承包商按照美標(biāo)體系的土建標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

中國(guó)的工程公司雖然擁有豐富的國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn),但由于美標(biāo)和國(guó)標(biāo)存在差異,僅僅依據(jù)國(guó)內(nèi)類似工程積累的材料量、工期等經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行報(bào)價(jià)和決策,往往存在巨大風(fēng)險(xiǎn),早期曾出現(xiàn)很多由于中美標(biāo)準(zhǔn)差異導(dǎo)致項(xiàng)目前期報(bào)價(jià)不準(zhǔn)、實(shí)施過(guò)程中土建材料量產(chǎn)生偏差的情況。沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司(簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)院)近些年隨著自身鋁工藝技術(shù)的持續(xù)提升,接連在委內(nèi)瑞拉、沙特、印度尼西亞等國(guó)家承攬了電解鋁、氧化鋁、碳素等大型工程設(shè)計(jì)和總承包業(yè)務(wù),而這些工程的土建設(shè)計(jì)均采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。在土建美標(biāo)設(shè)計(jì)、審查、施工服務(wù)過(guò)程中,沈陽(yáng)院積累了一些經(jīng)驗(yàn)。本文將對(duì)比中美規(guī)范中對(duì)土建投資影響較大的活荷載和抗震設(shè)計(jì)的差異,進(jìn)而為國(guó)內(nèi)工程公司評(píng)估海外總承包項(xiàng)目土建成本起到拋磚引玉的作用。

1 美國(guó)荷載規(guī)范簡(jiǎn)介

美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]規(guī)定了建筑結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計(jì)荷載的確定準(zhǔn)則,主要包括:①各類建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及對(duì)應(yīng)的各類荷載工況下的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);②各類重力荷載工況的最小取值及其折減系數(shù),如恒載、活載、雨雪荷載、覆冰荷載;③地震荷載效應(yīng)的確定方法,主要包括地震動(dòng)參數(shù)、場(chǎng)地類別、反應(yīng)譜曲線、地震荷載方向、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)等級(jí)(SDC)等的確定,結(jié)構(gòu)抗震體系、規(guī)則性、分析設(shè)計(jì)方法、建模準(zhǔn)則的選取和判定,結(jié)構(gòu)地震側(cè)移限值的規(guī)定等;以及④結(jié)構(gòu)及構(gòu)件風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值的確定方法。

與美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]內(nèi)容范圍對(duì)應(yīng)的中國(guó)規(guī)范主要包括:《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009)[2]、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011)[3]、《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306)[4]。

對(duì)于一般工業(yè)及民用建筑,活荷載(包括樓面活荷載和屋面活荷載)和抗震設(shè)計(jì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響最大,本文將主要對(duì)比中美規(guī)范在這兩方面的差異和影響。

2 中美活荷載工況對(duì)比

中美荷載規(guī)范對(duì)于活荷載工況的規(guī)定,主要有三方面差異:①活荷載取值;②活荷載折減系數(shù);以及③活荷載工況在荷載組合中的荷載分項(xiàng)系數(shù)。

2.1 活荷載取值

表1和表2列出了中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[2]和美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]規(guī)定的常見(jiàn)建筑占用類別的樓面均布活荷載(L)和屋面均布活荷載(Lr)的最小標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 中美荷載規(guī)范樓面均布活荷載(L)最小取值(標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2)

表2 中美荷載規(guī)范屋面均布活荷載(Lr)最小取值(標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2)

由對(duì)比可見(jiàn),美國(guó)荷載規(guī)范規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)的樓面活荷載和屋面活荷載最小取值普遍高于中國(guó)荷載規(guī)范。

2.2 活荷載折減系數(shù)

中美荷載規(guī)范對(duì)于活荷載折減系數(shù)的規(guī)定有明顯不同:

(1)中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[2]第5.1.2條規(guī)定:① 設(shè)計(jì)樓面梁時(shí),對(duì)于住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園,當(dāng)梁的從屬面積超25 m2,可采用折減系數(shù)0.9;對(duì)于除汽車通道及客車停車庫(kù)以外的其它建筑場(chǎng)所,當(dāng)梁的從屬面積超50 m2,可采用折減系數(shù)0.9。② 設(shè)計(jì)墻、柱和基礎(chǔ)時(shí),對(duì)于住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園,按照表3規(guī)定采用;對(duì)于除汽車通道及客車停車庫(kù)以外的其它建筑場(chǎng)所,應(yīng)采用與其樓面梁相同的折減系數(shù)?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[2]沒(méi)有對(duì)屋面活荷載折減系數(shù)作出明確規(guī)定,但要求對(duì)不同類型的結(jié)構(gòu)應(yīng)按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用,且不得低于0.3 kPa。

表3 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)對(duì)活荷載按照樓層的折減系數(shù)

(2)美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]第4.7、4.8節(jié)分別對(duì)規(guī)范規(guī)定的最小樓面均布活荷載(L)和最小屋面均布活荷載(Lr)的折減做了詳細(xì)的規(guī)定,主要包括:① 當(dāng)規(guī)范規(guī)定的最小樓面均布活荷載取值超過(guò)4.79 kPa時(shí),以及對(duì)于客車車庫(kù),樓面活荷載不允許折減,除非構(gòu)件支承2層及以上樓板時(shí),樓面活荷載的折減系數(shù)可取≥0.8,且不應(yīng)小于按照第③ 條計(jì)算得到的折減系數(shù);② 對(duì)于集會(huì)場(chǎng)所,樓面均布活荷載不允許折減;③ 對(duì)于不屬于① 、②情況的構(gòu)件,當(dāng)其KLLAT值大于或等于37.16 m2時(shí),可根據(jù)構(gòu)件的類型和從屬面積對(duì)規(guī)范規(guī)定的最小樓面均布活荷載進(jìn)行折減,折減系數(shù)RL按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:RL——樓面活荷載折減系數(shù);

KLL——構(gòu)件類型系數(shù)(見(jiàn)表4);

表4 構(gòu)件類型系數(shù),KLL

AT——構(gòu)件的活載從屬面積,m2。

對(duì)于規(guī)范規(guī)定的一般不上人屋面的最小屋面活荷載,可以根據(jù)構(gòu)件的活載從屬面積和屋面坡度進(jìn)行折減,折減后的屋面活荷載(Lr)應(yīng)滿足:0.58 kPa≤Lr≤0.96 kPa。折減系數(shù)按照式(2)進(jìn)行計(jì)算:

RLr=R1R2 (2)

式中:RLr——屋面活荷載折減系數(shù);

AT——構(gòu)件的活載從屬面積,m2;

F——屋面坡度參數(shù),對(duì)于坡屋面,F等于屋面坡度百分比的0.12倍;對(duì)于拱形或穹頂屋面,F等于屋面矢跨比的32倍。

2.3 活荷載分項(xiàng)系數(shù)

按照我國(guó)現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068-2018)[5],當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí),活荷載與永久荷載的基本組合中,活荷載的分項(xiàng)系數(shù)γQ取1.5。

按照美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1],當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí),活荷載與永久荷載的基本組合中,樓面活荷載(L)和屋面活荷載(Lr)的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取不同數(shù)值,需要分別考慮兩種組合:1.2D+1.6L+0.5Lr和1.2D+1.6Lr+1.0L。

由以上比較可以發(fā)現(xiàn),美國(guó)規(guī)范的活荷載分項(xiàng)系數(shù)比中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大6%～7%。

2.4 活荷載差異對(duì)工程量的影響

對(duì)于樓面均布活荷載,雖然美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]規(guī)定最小標(biāo)準(zhǔn)值較大,但是對(duì)于受荷面積較大的主梁、柱、基礎(chǔ)等構(gòu)件,其活荷載折減也較多,例如,內(nèi)柱和無(wú)懸挑板的外柱的實(shí)際受荷面積AT大于等于9.3 m2時(shí),其樓面均布活荷載折減系數(shù)RL≤0.62,角柱和無(wú)懸挑板邊梁的實(shí)際受荷面積AT大于等于18.6 m2時(shí),其樓面均布活荷載折減系數(shù)RL≤0.78。但是,對(duì)于有懸挑板的邊梁、次梁、樓板,只有當(dāng)其實(shí)際受荷面積AT大于等于37.16 m2時(shí),才能對(duì)樓面均布活荷載進(jìn)行折減,常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)很難滿足這個(gè)要求,由此可以預(yù)見(jiàn),采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的邊梁、次梁、樓板構(gòu)件的截面尺寸及配筋明顯增加。

對(duì)于屋面均布活荷載,按照美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]的要求,只有當(dāng)構(gòu)件的實(shí)際受荷面積AT大于等于18.58 m2時(shí),才能對(duì)樓面均布活荷載進(jìn)行折減,對(duì)于次梁、邊梁、樓板、檁條等受面積較小的構(gòu)件,當(dāng)不滿足此條件時(shí),其屋面均布活荷載的最小值為0.96 kPa,遠(yuǎn)大于中國(guó)規(guī)范規(guī)定的取值,尤其是對(duì)于單層門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的屋面檁條,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屋面均布活荷載是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2倍～3倍,會(huì)造成檁條用鋼量的大幅增加。

下面通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)示例進(jìn)行對(duì)比。如圖1所示,模型為一棟三層混凝土框架結(jié)構(gòu),層高為4.8 m;框架兩個(gè)方向均為3跨,每跨6 m;底部?jī)蓪訛檗k公室,頂層為會(huì)議室,屋面為一般上人屋面;為了體現(xiàn)中美活荷載差異對(duì)該模型混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋用量的影響,除結(jié)構(gòu)自重外,僅對(duì)模型分別按照美國(guó)和中國(guó)規(guī)范規(guī)定的最小取值施加活荷載,并考慮對(duì)應(yīng)的折減系數(shù),不考慮其它荷載?；钶d取值見(jiàn)表5,構(gòu)件的截面尺寸、活載折減系數(shù)見(jiàn)表6,構(gòu)件的類型見(jiàn)圖2。

表5 示例模型各層樓板活荷載

圖1 三層框架結(jié)構(gòu)整體模型

圖2 框架各層平面結(jié)構(gòu)布置

表6 示例模型構(gòu)件截面尺寸及活荷載折減系數(shù)

通過(guò)采用STAAD.Pro軟件進(jìn)行內(nèi)力分析,并采用STAAD的RCDC混凝土設(shè)計(jì)模塊按照美國(guó)混凝土規(guī)范進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),可以分別得到該模型基于中國(guó)和美國(guó)活荷載的配筋結(jié)果,如表7所示,采用美國(guó)規(guī)范活荷載,構(gòu)件的含鋼量約增加30～50 kg/m3,每平米建筑面積的鋼筋用量約增加4.9 kg。

表7 示例模型鋼筋工程量對(duì)比

3 中美抗震設(shè)計(jì)對(duì)比

3.1 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)和地震力

中美抗震設(shè)計(jì)參數(shù)的差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:

(1)在確定和區(qū)劃反應(yīng)譜加速度基本參數(shù)時(shí),① 美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]基于50年超越概率為2%的“最大考慮地震”(MCER)繪制地震動(dòng)譜加速度參數(shù)Ss和S1的區(qū)劃圖,Ss和S1分別乘以場(chǎng)地土類別系數(shù)Fa和Fv,得到“大震”下考慮場(chǎng)地土效應(yīng)調(diào)整后的譜加速度參數(shù)SMS=FaSs和SM1=FvS1,再以SDS=SMS/1.5和SD1=SMS/1.5作為設(shè)計(jì)地震動(dòng)譜加速度參數(shù);② 中國(guó)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》 (GB 18306-2015)[4]基于50年超越概率為10%的“中震”進(jìn)行地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃,并以此確定《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)[3]中的烈度。

(2)在計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震力或與地震力相關(guān)參數(shù)的數(shù)值時(shí),對(duì)于一般結(jié)構(gòu),① 美國(guó)荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]要求考慮結(jié)構(gòu)的延性,引入并規(guī)定了各種形式結(jié)構(gòu)的響應(yīng)修正系數(shù)R(1≤R≤8),結(jié)構(gòu)地震力的計(jì)算公式中,設(shè)計(jì)地震動(dòng)譜加速度需要除以對(duì)應(yīng)的響應(yīng)修正系數(shù)R;結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)計(jì)算和構(gòu)造措施必須滿足相應(yīng)的延性要求;② 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)[3]的地震力計(jì)算公式中沒(méi)有與結(jié)構(gòu)延性相關(guān)的參數(shù),統(tǒng)一采用“小震”(多遇地震,50年超越概率63%)的譜加速度參數(shù)計(jì)算地震力,同時(shí)對(duì)不同抗震等級(jí)的各類型結(jié)構(gòu),通過(guò)規(guī)定采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施,保證結(jié)構(gòu)具有適度的延性。

當(dāng)有采用中國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)估美標(biāo)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的需求時(shí),可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[6]給出的中美抗震設(shè)計(jì)規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)換算關(guān)系,將美標(biāo)體系的地震動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為中國(guó)規(guī)范對(duì)應(yīng)的烈度、場(chǎng)地特征周期參數(shù),并運(yùn)用國(guó)內(nèi)的PKPM等內(nèi)嵌了中國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的軟件進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)評(píng)估。本文認(rèn)為,中美抗震參數(shù)的轉(zhuǎn)化只適用于項(xiàng)目最前期的評(píng)估階段,其轉(zhuǎn)化結(jié)果很難得到國(guó)外PMC設(shè)計(jì)審查的認(rèn)可,如果國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)院確定被要求采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并需要接受國(guó)外PMC的設(shè)計(jì)審查時(shí),這種參數(shù)轉(zhuǎn)化是沒(méi)有必要的,應(yīng)該直接采用PMC認(rèn)可的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件,并依據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì),確保從可研到詳細(xì)設(shè)計(jì)的全過(guò)程采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù),避免因中美規(guī)范之間差異造成的成本偏差。

3.2 抗震設(shè)計(jì)差異的影響

通過(guò)上面的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),中美在抗震設(shè)計(jì)方面存在理念上的明顯差異,對(duì)于一般結(jié)構(gòu),中國(guó)采用“小震”(50年超越概率63%)反應(yīng)譜加速度參數(shù),計(jì)算得到“小震”下的地震力;美國(guó)的地震動(dòng)譜加速度參數(shù)Ss和S1是基于“大震”(50年超越概率2%)確定的,設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度參數(shù)將“大震”參數(shù)SMS和SM1除以了1.5,近似折減為“中震”(50年超越概率10%)反應(yīng)譜加速度參數(shù)SDS和SD1[6]。盡管如此,由于美國(guó)在計(jì)算地震力時(shí)除以了與結(jié)構(gòu)延性相關(guān)的響應(yīng)修正系數(shù)R,當(dāng)設(shè)計(jì)選用延性較高的結(jié)構(gòu)形式時(shí),R值最大可以取8,近似相當(dāng)于將“中震”地震力折減了7/8,當(dāng)設(shè)計(jì)選用延性較低的結(jié)構(gòu)形式時(shí),R值最小可以取1,近似相當(dāng)于按“中震”地震力設(shè)計(jì),由此可見(jiàn),采用不同延性設(shè)計(jì)時(shí),按照美國(guó)規(guī)范計(jì)算的地震力有可能比中國(guó)規(guī)范大,也有可能比中國(guó)規(guī)范小。

值得注意的是,高延性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系構(gòu)件截面顯著減小,降低材料用量,但同時(shí)需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析和特殊抗震節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期大幅延長(zhǎng)。低延性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系構(gòu)件截面較大,材料用量較多,但是結(jié)構(gòu)分析和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化,設(shè)計(jì)周期較短。因此,中美抗震設(shè)計(jì)差異的影響不僅體現(xiàn)在工程量上,還體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性上,這需要總承包方與設(shè)計(jì)院共同討論協(xié)商,在工程材料成本與工程進(jìn)度成本之間尋求一種平衡。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)比了中美規(guī)范對(duì)活荷載和抗震設(shè)計(jì)規(guī)定的差異,并討論了其對(duì)國(guó)內(nèi)工程公司承攬海外總承包項(xiàng)目可能造成的影響。

(1)美國(guó)荷載規(guī)范規(guī)定的樓面活荷載和屋面活荷載的最小取值普遍高于中國(guó)荷載規(guī)范,活荷載分項(xiàng)系數(shù)比中國(guó)荷載規(guī)范高6%～7%,雖然美國(guó)對(duì)活荷載的折減規(guī)定更加明確和詳細(xì),通過(guò)示例對(duì)比,總體上美國(guó)規(guī)范的活荷載設(shè)計(jì)值大于中國(guó)規(guī)范,會(huì)造成工程量的增加。

(2)中美抗震設(shè)計(jì)存在理念差異,中國(guó)規(guī)范的地震力計(jì)算采用“小震”設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度參數(shù),且計(jì)算公式中沒(méi)有與結(jié)構(gòu)延性相關(guān)的參數(shù);美國(guó)采用“大震”地震動(dòng)譜加速度參數(shù)Ss和S1和近似“中震”的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度參數(shù)SDS和SD1,并在計(jì)算地震力時(shí)考慮與結(jié)構(gòu)延性相關(guān)的響應(yīng)修正系數(shù)R,使高延性結(jié)構(gòu)的地震力較小,低延性結(jié)構(gòu)的地震力較大,因此當(dāng)結(jié)構(gòu)延性未定時(shí),無(wú)法比較中美規(guī)范地震力的大小和準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)總承包項(xiàng)目造成的影響。建議總承包方與設(shè)計(jì)院共同討論協(xié)商,在工程材料成本與工程進(jìn)度成本之間尋求一種平衡。