結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全與經(jīng)濟(jì)的合理控制

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全與經(jīng)濟(jì)的合理控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全與經(jīng)濟(jì)的合理控制1 1、概述、概述建筑工程是一種特殊的產(chǎn)品，不僅價(jià)值大、使用壽命長，而且還關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全、健康和環(huán)境，因此如何建好這些建筑，需要匯集參建各方的智慧和辛勤工作。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，就是要盡力做到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益最大化，要處理好這些問題，涉及到建筑與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用、工作經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)措施等問題，加強(qiáng)這方面工作的研究和交流，就能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越做越好。本文所談的幾點(diǎn)體會，僅想起到拋磚引玉的作用。2 2、精心設(shè)計(jì)、思前顧后、精心設(shè)計(jì)、思前顧后最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不光是結(jié)構(gòu)自身方面的工作要做好，還和建筑方案密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)不宜待建筑方案確定后才介入，應(yīng)該思前顧后，在建筑方案階段就要考慮梁、板、柱如何布置，構(gòu)件截面如何選擇，基礎(chǔ)采用何種類型等，否則，容易出現(xiàn)不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而造成房屋建筑安全度低、造價(jià)高的結(jié)果，為做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要應(yīng)做到以下幾方面：（1）對較大的工程項(xiàng)目應(yīng)提出進(jìn)行初步巖土勘察要求，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。（2）積極參與建筑方案研討，注重把合理的結(jié)構(gòu)體系融入到建筑方案中。合理的結(jié)構(gòu)體系體現(xiàn)在：直接而明確的傳力途徑，整體穩(wěn)定性較好的結(jié)構(gòu)，局部破壞不致引起倒塌的“多米諾骨牌效應(yīng)”，關(guān)鍵部位有較強(qiáng)的抗力。結(jié)合某工業(yè)園區(qū)宿舍設(shè)計(jì)案例，根據(jù)初步巖土勘察報(bào)告，該場地樁長要在 24 米至 26 米范圍，

3、估算單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值為 1800KN2000KN，考慮樁長較長，如果樁基的滿載率不高，樁數(shù)會增多，承臺工程量隨之加大，工程造價(jià)會大幅度提高。另一方面為了使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更合理、安全度更高，設(shè)計(jì)希望每根柱子底下都能形成兩樁以上的多樁承臺基礎(chǔ)，盡量避免單柱單樁基礎(chǔ)，以防單樁質(zhì)量有問題或地震等偶然因素造成基礎(chǔ)破壞并引發(fā)上部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。為此按照預(yù)先估算的單樁豎向承載力，把員工宿舍樓的柱距定在 6 米7.2 米左右，這就確保每根柱下都有兩樁以上的樁基礎(chǔ)；對上部結(jié)構(gòu)體系則盡量要求建筑設(shè)計(jì)成兩跨以上且正交的柱網(wǎng)，每榀抗側(cè)力框架結(jié)構(gòu)柱盡可能在同一平面內(nèi)，達(dá)到傳力明確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的目的。經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)體系如出

4、現(xiàn)梁一端與柱聯(lián)結(jié)另一端與梁聯(lián)結(jié)的半框架或抗側(cè)力結(jié)構(gòu)柱、墻不在同一平面內(nèi)，不但受力不好，造價(jià)也會提高，這在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)尤其突出。（3）結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造應(yīng)與建筑工種密切配合，在這方面應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱(包括錯(cuò)層短柱和窗洞邊形成的短柱)、高大懸墻等耗材大又對抗震極其不利的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。（4）實(shí)施設(shè)計(jì)質(zhì)量全面管理，劃分宿舍、廠房、食堂、公建等不同建筑采用不同結(jié)構(gòu)類別，制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，把研究出來的一些新技術(shù)、好措施落實(shí)到每一個(gè)單位工程，實(shí)踐證明在這一方面所獲得的經(jīng)濟(jì)效益不可忽視。（5）各設(shè)計(jì)專業(yè)互相配合，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的每個(gè)階段設(shè)計(jì)工作，并對各階段設(shè)計(jì)進(jìn)行中間檢查、認(rèn)真審核，使參

5、與設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)者都能設(shè)計(jì)出質(zhì)量高的施工圖紙。3 3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用應(yīng)注意的問題、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用應(yīng)注意的問題砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第 5.1.6 條規(guī)定：“對電算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)判斷和校核；在確認(rèn)其合理有效后方可用于工程設(shè)計(jì)”。確認(rèn)合理與有效，就意味著確認(rèn)安全與經(jīng)濟(jì)，這條規(guī)定對長期從事結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用的設(shè)計(jì)者體會是最深刻的，需要注意的問題很多。例如，有的問題是軟件本身的缺陷，有的問題是軟件中看似“不起眼”的規(guī)定，如不注意執(zhí)行就會犯大錯(cuò)誤，還有軟件的力學(xué)模型、基本假定是否適合你的結(jié)構(gòu)體系等等，這些問題都是在設(shè)計(jì)過程要加以注意的，但往往這些問題被有些設(shè)計(jì)人員所忽視。下面例舉幾個(gè)常見且對建筑結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)影響較大

6、的軟件應(yīng)用問題。（1）帶柱間挑梁的越層框架柱（復(fù)式框架），有的電算軟件無法辨認(rèn)越層柱，柱計(jì)算長度會出錯(cuò)，如圖 1 和圖 2 所示：該工程一層層高為 4 米，二層以上層高為 3.3 米，越層柱柱 1 由于存在走廊單挑挑梁致使軟件無法判定柱 1 為越層柱，確定柱 1 的 Y 向柱計(jì)算長度系數(shù)仍分別按一層 4 米和二層 3.3 米為依據(jù)，實(shí)際應(yīng)進(jìn)行人工干預(yù)，改為 4+3.37.3 米做為柱計(jì)算長度系數(shù)的計(jì)算依據(jù)，否則，兩者計(jì)算配筋誤差相當(dāng)大。另外，柱計(jì)算長度系數(shù)人工更改后，不能再執(zhí)行軟件的數(shù)據(jù)檢查，否則等于沒修改。圖 1二層平面圖 2AA 剖面（2）軟件 SATWE 已注明，柱底最大軸力平面數(shù)據(jù)不能

7、作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)，應(yīng)用JCCAD 軟件的數(shù)據(jù)，但有的設(shè)計(jì)者仍然引用 SATWE 的數(shù)據(jù)去設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)需要多組柱底內(nèi)力組合，萬一數(shù)據(jù)誤差太大，就會造成整幢房屋存在安全隱患。（3）用 SATWE 軟件設(shè)計(jì)人防地下室，應(yīng)輸入活荷載，軟件才會考慮人防荷載參與組合，有的設(shè)計(jì)者沒注意到這個(gè)規(guī)定，結(jié)果嚴(yán)重錯(cuò)誤；有的設(shè)計(jì)者沒使用有人防計(jì)算功能的軟件，設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮材料強(qiáng)度提高系數(shù)等因素，設(shè)計(jì)結(jié)果，水泥、鋼筋浪費(fèi)太大，很不經(jīng)濟(jì)。（4）SATWE 軟件體系在算有抬柱子的梁或者是等截面高的交叉梁系、井字梁，經(jīng)常會出現(xiàn)梁跨數(shù)標(biāo)注錯(cuò)誤，即把被抬的柱子當(dāng)成支座，使原為一跨的梁被分成兩跨，或者一跨的梁被交叉梁分為若干

8、跨。由于這些梁跨被誤認(rèn)為若干跨，造成梁同一跨內(nèi)鋼筋直徑不同、根數(shù)不同等影響安全的異常問題，這些問題都應(yīng)在出施工圖之前重點(diǎn)核對，認(rèn)真調(diào)整。(5)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有許多要要用戶輸入的計(jì)算參數(shù)，這些參數(shù)有的是軟件給出默認(rèn)數(shù)值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析這些默認(rèn)數(shù)值在技術(shù)上、構(gòu)造上是否合理可靠，采用不合適的參數(shù)，有時(shí)造成的后果也是很嚴(yán)重的。例如，基礎(chǔ)軟件JCCAD 中的基床反力系數(shù) K，它的物理意義為：單位面積地表面上引起單位下沉所需施加的力，反映的是地基剛度的大小，它與土的類型、基礎(chǔ)寬度和埋深、基礎(chǔ)的剛度等因素有關(guān)，可能變動于幾 MN/m3到幾百 MN/m3之間，可想而知，對軟件中默認(rèn)值不進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

9、肯定會存在不安全或不經(jīng)濟(jì)的問題，這也說明軟件應(yīng)用還應(yīng)具備扎實(shí)的專業(yè)理論知識。(6)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對 SATWE 軟件菜單的使用要進(jìn)行認(rèn)真分析。軟件中加載方式有三種，即一次性加載、模擬施工方法 1 加載、模擬施工方法 2 加載。一次性加載計(jì)算，主要用于多層結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭┕さ膶訉诱移綄Χ鄬咏Y(jié)構(gòu)的豎向變位影響很小，所以不要采用模擬施工方法計(jì)算。模擬施工方法 1 加載,對于高層結(jié)構(gòu)，一般都采用這種方法計(jì)算，但是對于“框剪結(jié)構(gòu)”， 采用這種方法計(jì)算在導(dǎo)給基礎(chǔ)的內(nèi)力中剪力墻下的內(nèi)力特別大，使得其下面的基礎(chǔ)難于設(shè)計(jì)。于是就有了模擬施工方法 2 加載，這是在“模擬施工方法 1”的基礎(chǔ)上將豎向構(gòu)件（柱、墻）的剛度

10、增大 10 倍再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，采用這種方法計(jì)算在導(dǎo)給基礎(chǔ)的內(nèi)力比較均勻合理，可以避免墻的軸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柱的軸力的不合理情況。但是這種方法人為的擴(kuò)大了豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件的線剛度比，所以它的計(jì)算方式值得探討。專家建議，在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用“模擬施工方法1”；在基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)采用“模擬施工方法 2”的計(jì)算結(jié)果，這樣得出的基礎(chǔ)結(jié)果比較合理。4 4、建筑結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施、建筑結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施(1)材料選用與要求建筑結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)還與建筑材料選用有關(guān)，特別在設(shè)計(jì)一些大跨度或荷載較重的結(jié)構(gòu)時(shí)尤其突出。例如，驗(yàn)算型鋼梁與型鋼柱連接節(jié)點(diǎn)時(shí)就發(fā)現(xiàn)，不能光靠加大型鋼柱截面來滿足要求，而只要在節(jié)

11、點(diǎn)加帖加強(qiáng)鋼板來滿足計(jì)算要求，這樣做有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一能節(jié)省鋼材，第二能避免采用厚度大于 20mm 的鋼板，太厚的鋼板焊接前要預(yù)加熱，施工工藝麻煩，受力后還存在鋼板被撕裂的危險(xiǎn)，因此對鋼板材質(zhì)要求較高，甚至要用特種鋼材，造價(jià)也很高。建筑結(jié)構(gòu)的主要材料是砼和鋼筋：通常情況下，混凝土受彎構(gòu)件采用 C20C30；受壓構(gòu)件采用 C25C40；預(yù)應(yīng)力構(gòu)件采用 C40 最為合適，材料性價(jià)比較高；主導(dǎo)鋼筋采用 HRB400（III）級及 HRB335（II）級鋼筋，材料性價(jià)比較高。(2)電算與人工結(jié)合配置鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件自動生成的梁、板、墻和柱配筋在一定程度上存在著某些不合理部位。例如，有的次梁箍筋面積計(jì)算值

12、才 2mm2，按構(gòu)造要求最多配6200 箍筋，可自動生成的箍筋為10200，配筋偏多，類似這種情況都要人工調(diào)整；有的是軟件還不具備的功能，例如，規(guī)范統(tǒng)一規(guī)定梁面第一排鋼筋斷點(diǎn)為Ln，第二排為Ln，實(shí)際上，有些梁就不需要這么長的鋼筋，設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合手工畫材料包絡(luò)圖來確定鋼筋斷點(diǎn)，用這個(gè)辦法可省很多鋼筋。另外，規(guī)范規(guī)定 Ln 為相鄰跨凈距，連續(xù)梁中某跨跨度較小時(shí)，該跨梁面鋼筋與相鄰大跨梁面鋼筋應(yīng)貫通，減少鋼筋斷點(diǎn)，這些都需要人工編輯?？傊?，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不要怕麻煩，要想方設(shè)法采用一些好的技術(shù)措施把一些計(jì)算和構(gòu)造要求不需要的鋼筋省下來。(3)多種方案比較、現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)彻I(yè)園區(qū)大部分區(qū)域土層分布從上而下為：素填

13、土（1）、淤泥質(zhì)土（2）、圓礫（3）、淤泥質(zhì)土（4）、中細(xì)砂土（5）、全風(fēng)化土（6）、強(qiáng)風(fēng)化土（7）。中風(fēng)化土（8）如采用淺基礎(chǔ)，持力層選在第 3 圓礫層，該層厚薄不一，薄的 1.5 米左右，厚的達(dá) 2.1 米左右，下臥層計(jì)算不能滿足規(guī)范要求；如采用沖(鉆)孔灌注樁，造價(jià)又很高；如采用錘擊式高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，噪音污染大，且單樁承載力不好控制；如采用靜壓式高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，擔(dān)心靜壓沉樁穿越圓礫層有困難，但該方案造價(jià)低、質(zhì)量好?？紤]到樁基工程對建筑結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)影響很大，經(jīng)研究選用第 7 土層即強(qiáng)風(fēng)化層為持力層，在現(xiàn)場做靜壓沉管試驗(yàn)，檢驗(yàn)施工工藝及基樁承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)果令人滿意。后經(jīng)大面積施

14、工，整個(gè)施工過程也比較順利，單樁垂直承載力和樁身質(zhì)量都能滿足設(shè)計(jì)要求。(4)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)避免存在多余構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免畫蛇添足，即結(jié)構(gòu)體系存在沒用的梁、柱或抗震墻等多余構(gòu)件，這些構(gòu)件不但增加房屋造價(jià)，而且有可能使結(jié)構(gòu)傳力不明確。對樓(屋)面板及地下室頂(底)板，當(dāng)某一板塊預(yù)估可按構(gòu)造配鋼筋或在最佳配筋率范圍時(shí)，如無他用千萬別在這板塊中加次梁。工程設(shè)計(jì)中，確定樓(屋)面板厚度是先和電氣工程師溝通，保證電氣管線上、下有大于三分之一板厚的砼保護(hù)層厚度，然后結(jié)合建筑使用功能和荷載大小布置必要的梁系，忽略這個(gè)問題有時(shí)會造成極大浪費(fèi)。例如，某工程地下室底板厚度為 300mm，板跨度雙向大部分不大于 6 米，

15、按計(jì)算已是構(gòu)造配筋，但設(shè)計(jì)者還在板中加了十字交叉次梁，后經(jīng)審圖建議，取消十字交叉次梁，既為業(yè)主節(jié)省造價(jià)，又使結(jié)構(gòu)布置簡潔、傳力明確。在這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，國家規(guī)范是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)一些特殊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要正確應(yīng)用一些優(yōu)秀軟件進(jìn)行內(nèi)力分析，還應(yīng)注意構(gòu)造處理的可靠性，實(shí)際上在地震作用下，通過理論計(jì)算結(jié)果不可能是十分準(zhǔn)確的，要保證安全還要靠概念設(shè)計(jì)，“三分計(jì)算七分構(gòu)造”已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的共識，某些地方要突破規(guī)范的約束，關(guān)鍵部位“多用”點(diǎn)鋼筋會得到四兩頂千斤的效果。汶川地震也證明了構(gòu)造措施得當(dāng)是實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。5 5、結(jié)束語、結(jié)束語建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)責(zé)任重于泰山，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程是一個(gè)處理建筑結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的過程，設(shè)計(jì)者在技術(shù)上要精益求精，不要一意注重安全使房屋造價(jià)偏高，造成不必要的浪費(fèi)，更不能一意追求經(jīng)濟(jì)