建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約與應(yīng)用

引言：根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響工程質(zhì)量的主要因素，約占總事故原因的40%。目前不同的設(shè)計(jì)單位技術(shù)水平參差不齊，工程項(xiàng)目由于設(shè)計(jì)質(zhì)量問題而返工、停工等現(xiàn)象屢見不鮮。通過科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使建筑物設(shè)計(jì)水平不斷提高，減少工程施工風(fēng)險(xiǎn)，提高工程質(zhì)量的同時，還可達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目標(biāo)。1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對造價(jià)成本的影響因素工程造價(jià)控制是施工企業(yè)的重點(diǎn)管理內(nèi)容，與施工各環(huán)節(jié)密不可分。結(jié)合實(shí)踐表明，施工各階段對項(xiàng)目成本投入的影響程度存在較大差異，而對項(xiàng)目成本帶來影響主要因素為施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.1結(jié)構(gòu)體系在建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，主要包括：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)及復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)等。不同結(jié)構(gòu)體系其應(yīng)用領(lǐng)域不盡相同，采用不同的結(jié)構(gòu)體系也會產(chǎn)生不同的成本投入。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、自重大；框架結(jié)構(gòu)抗震性能一般，但水平位移相對較大，整體水平剛度較低；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，抗震性強(qiáng)，布置較為靈活；筒體結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)向剛度和強(qiáng)度。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，不能只考慮結(jié)構(gòu)某一方面的優(yōu)缺點(diǎn)，而應(yīng)根據(jù)具體工程和成本目標(biāo)，選用最適宜的結(jié)構(gòu)體系。1.2結(jié)構(gòu)布置在結(jié)構(gòu)布局上，可分為結(jié)構(gòu)平面布置和結(jié)構(gòu)豎向布置。（1）結(jié)構(gòu)平面布置：按照規(guī)范《高層建筑混凝結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，以剪力墻結(jié)構(gòu)為例，在平面布置中要盡可能減少短肢墻的數(shù)目，借以降低構(gòu)造筋的使用量，并降低工程造價(jià)。且剪力墻結(jié)構(gòu)住宅在平面布置時，應(yīng)盡量減小拐角開窗，以保持其所處位置的剪力墻，使得平面布置更為合理。（2）結(jié)構(gòu)豎向布置：采用合理的豎向抗側(cè)力構(gòu)件，使其位于或貼近剛性中心和質(zhì)心的位置，可以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，進(jìn)而減少鋼材用量，降低造價(jià)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)豎向布置設(shè)計(jì)時，需綜合考慮梁、板、柱、墻的受力情況，使得梁、板、柱、墻的受力最為合理，以獲得最優(yōu)的樓面荷載傳遞路徑，避免梁的多次復(fù)雜傳力。在有隔板的情況下，應(yīng)將隔板荷載轉(zhuǎn)換為樓面均勻荷載或直接輸入樓板線荷載，不設(shè)橫梁，以降低成本投入。1.3構(gòu)件尺寸（1）結(jié)合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，鋼筋混凝土板的常規(guī)經(jīng)濟(jì)跨度通常為3m～4m，板厚度為100mm～120mm?？紤]到板的變形和裂縫問題，板的厚度一般應(yīng)在90mm以上。（2）在符合相關(guān)規(guī)范的情況下，柱的軸壓比和梁的配筋率都不能太小，否則會造成“胖柱肥梁”現(xiàn)象，不僅會對室內(nèi)空間布局、使用帶來負(fù)面影響，還會增加基礎(chǔ)尺寸和造價(jià)投入。1.4建筑材料（1）在符合有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的情況下，應(yīng)選用高強(qiáng)度的鋼筋，可以減少工程成本。例如鋼筋混凝土樓板，一般情況下，鋼筋強(qiáng)度等級選用HRB400級，若使用CRB600H級別鋼筋，則可以進(jìn)一步節(jié)省鋼筋使用量。（2）在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對普通住宅工程，樓板跨度較小時，樓板底筋一般按最小配筋率進(jìn)行配筋。鋼筋級別均為HRB400的前提下，按照最小配筋率混凝土強(qiáng)度等級C30較C40可節(jié)省HRB400鋼6.4%。同時還可以利用合理使用混凝土強(qiáng)度等級，有效減少墻體開裂問題，特別對于建筑物的地下室墻體設(shè)計(jì)來說，在減少維護(hù)成本的同時，也可以避免由于建筑材料引起的其他問題。1.5基礎(chǔ)形式建筑物的地基形式既影響建筑物的直接投入，也關(guān)系到基坑的維護(hù)和建設(shè)周期。目前常見地基形式上，包括獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基。獨(dú)立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)造價(jià)較低，但對地基承載力要求較高，在地基條件良好的情況下，盡量采用獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)；地基承載力較低時，可進(jìn)行不同基礎(chǔ)方案比對，在滿足規(guī)范要求的前提下采用較為合理經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式，從而降低工程造價(jià)。1.6精細(xì)化設(shè)計(jì)在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，需對項(xiàng)目進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，是控制項(xiàng)目成本的重要環(huán)節(jié)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)按工程實(shí)際情況進(jìn)行載荷計(jì)算，以避免不必要的荷載放大，使構(gòu)件截面及配筋增大，提高工程造價(jià)；其次需合理確定墻、柱截面尺寸，并按相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法進(jìn)行配筋，使墻、柱截面尺寸和配筋均符合設(shè)計(jì)要求，在保證建筑功能且滿足結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范要求的前提下，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約與應(yīng)用原則2.1安全性隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑物形式更加多樣化，因此對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約設(shè)計(jì)在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過合理的方式來減少投資、節(jié)省造價(jià)。必須要注意的是，不要過分追求節(jié)約成本，若僅僅以節(jié)省成本為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評判標(biāo)準(zhǔn)，而忽略了安全因素，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約則喪失了其意義，無法保證結(jié)構(gòu)的安全性。2.2功能性優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其更好的實(shí)現(xiàn)建筑的功能性。但需注意的是，不能單純以減少主要受力構(gòu)件的方式來提高建筑的空間面積。如今人們對建筑功能提出的要求越來越高，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)通過采用合理的結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置來最大程度上實(shí)現(xiàn)建筑需要，然后在此基礎(chǔ)之上再進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.3經(jīng)濟(jì)性建筑工程綜合性很強(qiáng)，融合多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，工程規(guī)模大。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土、水泥、砌體等方面成本投入較高，在項(xiàng)目施工時，施工單位的資金可利用空間有限，這就要求在確保安全、質(zhì)量的前提下，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料投入等控制造價(jià)，以降低不必要的投資。但是需注意的是，不可因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因產(chǎn)生“豆腐渣”項(xiàng)目。3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約與應(yīng)用途徑3.1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性控制流程在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之前，對工程項(xiàng)目方案進(jìn)行審查及調(diào)整；選用合理的結(jié)構(gòu)體系；結(jié)構(gòu)平面布局經(jīng)濟(jì)節(jié)約；結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時各項(xiàng)參數(shù)按照規(guī)范進(jìn)行選取；施工圖繪制時細(xì)部設(shè)計(jì)模型應(yīng)注意計(jì)算減少材料浪費(fèi)。建筑平面布局直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的選擇以及結(jié)構(gòu)布局是否經(jīng)濟(jì)節(jié)約。從大量的建筑方案及結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，可以明確，建筑物的平面規(guī)律性（長寬比、凹凸度）、層數(shù)（總高度）、層高、面層做法（恒載）、角窗布置、底商轉(zhuǎn)換、外檐復(fù)雜程度等都會對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成較大影響，從而可能增加造價(jià)。因此，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度看，方案設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，將很難控制總成本。舉例：對于住宅來說，疊拼洋房工程的建筑方案，兩個單元拼接位置處如凹進(jìn)較大，甚至超出正常寬度的50%以上，將會產(chǎn)生樓板不連續(xù)問題，那么就需要在板厚和配筋方面加強(qiáng)，必然會導(dǎo)致成本增加，如果在一開始方案設(shè)計(jì)時候就盡量避免此類不規(guī)則問題，后續(xù)結(jié)構(gòu)平面布置會更簡單合理，也能從根本上降低成本。建筑方案一旦確定，結(jié)構(gòu)體系的選擇已經(jīng)基本確定。例如，現(xiàn)在普通高層住宅通常為剪力墻結(jié)構(gòu)，公建商業(yè)則多為框架結(jié)構(gòu)。那么確定結(jié)構(gòu)平面形狀之后，在采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行建模計(jì)算時，需結(jié)合結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范正確設(shè)置模型參數(shù)，初步布置結(jié)構(gòu)平面后進(jìn)行多次計(jì)算，根據(jù)結(jié)果來反復(fù)調(diào)整各受力構(gòu)件的截面尺寸以及材料強(qiáng)度等級，使其計(jì)算結(jié)果在既能滿足所有規(guī)范要求的前提下得以實(shí)現(xiàn)建筑功能需要，又保證不造成浪費(fèi)。并且，應(yīng)當(dāng)總結(jié)多次設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及施工單位反饋的成本結(jié)果，在下次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，合理運(yùn)用既往項(xiàng)目總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)。3.2三類結(jié)構(gòu)形式比選3.2.1基礎(chǔ)形式比選結(jié)合過往施工經(jīng)驗(yàn)分析，樁基工程在土建工程總成本中占有10%～20%的比重，在地質(zhì)條件較差的地區(qū)，其成本投入甚至更高。由于工程地質(zhì)條件的不確定性，使得樁基礎(chǔ)施工費(fèi)用獨(dú)立于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限額指標(biāo)之外，難以確定其限額指標(biāo)。因此，選擇樁基礎(chǔ)和處理方式就顯得更加重要。在基礎(chǔ)方案選擇中，若地勘報(bào)告僅提出一種樁型建議，應(yīng)進(jìn)行多種樁徑、樁長的比較；若是地勘報(bào)告提出不同樁型施工方案，則應(yīng)該制定出不同的樁型、樁徑、樁長施工方案。3.2.2地下室頂結(jié)構(gòu)形式比選影響地下室經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要因素為地下室的樓層高度，地下室樓層高度太高，地下室外墻高及基坑深度過大都會造成很大程度上的成本增加，因此，地下室樓層高度的控制尤為重要。就結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，地下室頂樓蓋形式有井字梁、十字梁、單向密肋梁、框架梁+大板等有梁樓蓋以及無梁樓蓋。應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的不同進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)方案比對，從而做出最優(yōu)選擇，最大程度上控制結(jié)構(gòu)梁板占用高度，盡可能保證凈高，從整體上進(jìn)行土建成本控制。3.2.3上部結(jié)構(gòu)比選上部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案的選擇主要有：結(jié)構(gòu)體系的選擇和結(jié)構(gòu)平面布局的選擇。對于多層建筑物和大部分的公建建筑來說，如花園別墅、聯(lián)排別墅、多層寫字樓、體育館等，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局比較時，應(yīng)優(yōu)先考慮建筑物的總體布局。如多層住宅可以在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、異形柱結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)等不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選，根據(jù)比選結(jié)果選擇結(jié)構(gòu)體系。針對高層住宅，一般采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，則可采用不同的平面布局方式進(jìn)行必選，選擇成本較低的結(jié)構(gòu)平面布局方案。3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本控制要點(diǎn)3.3.1細(xì)化建筑物的荷載在進(jìn)行建筑物的恒荷載計(jì)算時，應(yīng)盡量進(jìn)行細(xì)致計(jì)算。如建筑地面施工中的自重計(jì)算必須精確，二次結(jié)構(gòu)自重需考慮到門窗的開洞影響。例如：對于疊墅，其南側(cè)外墻墻長8m，高度3m，墻壁有兩扇窗，大小3.3m×1.5m、2.4m×1.5m、梁高0.6m，在不考慮窗的情況下，梁的線荷載為5.8kN/m，若考慮窗洞影響，則是3.2kN/m。3.3.2控制不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料級別高強(qiáng)度混凝土在柱、墻等豎向受力構(gòu)件中的應(yīng)用尤為顯著，特別是在豎向構(gòu)件軸壓比的控制工作上，其產(chǎn)生的作用尤其突出?；炷翂爸鶅H軸壓比不滿足規(guī)范要求時，可以采用提高混凝土強(qiáng)度等級的方式使其滿足規(guī)范要求。但對于梁抗彎強(qiáng)度來說，采用高強(qiáng)度混凝土對抗彎強(qiáng)度的提高作用比較有限，不夠經(jīng)濟(jì)。若將高強(qiáng)度混凝土應(yīng)用于樓板施工中，對板承載力的提高作用微乎其微，但會使結(jié)構(gòu)的配筋率升高，且高強(qiáng)度混凝土板更容易形成裂縫。舉例來說，在超高層建筑物剪力墻中，按不同強(qiáng)度等級的混凝土進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)底部各層剪力墻采用高強(qiáng)度混凝土?xí)r，其鋼筋量略有下降，約為2%～3%。就鋼筋強(qiáng)度級別而言，對于一些與其強(qiáng)度無關(guān)或沒有太大影響的非受力構(gòu)件的構(gòu)造配筋，可以選用低強(qiáng)度鋼筋。3.3.3對各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大小進(jìn)行控制控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的最終目標(biāo)是保證整個結(jié)構(gòu)滿足計(jì)算要求下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約。結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸控制主要是對樓板厚度、梁高度及剪力墻厚度的控制。根據(jù)板跨度及板面荷載選擇合適的板厚，根據(jù)建筑立面及計(jì)算要求選擇梁高，以及根據(jù)結(jié)構(gòu)布置選擇合適的剪力墻墻肢長度及厚度。地下建筑部分的主要控制部分為基礎(chǔ)底板厚度、擋土墻厚度和框架梁高。舉例來說，在高層住宅建筑中，對不同的剪力墻住宅墻體厚度進(jìn)行比較，最終發(fā)現(xiàn)，采用自底到頂逐步減薄墻厚時，該結(jié)構(gòu)的鋼筋使用量會減少約2%～3%。3.3.4控制不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋率通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計(jì)算、延性要求、剛度及裂縫等需要得到構(gòu)件的配筋量，不要隨意擴(kuò)大配筋計(jì)算結(jié)果。例如，基礎(chǔ)筏板或者防水板的通長筋可采用最小配筋率進(jìn)行配置，而后根據(jù)計(jì)算結(jié)果在通長筋的基礎(chǔ)上進(jìn)行附加鋼筋的布置。3.3.5結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施此項(xiàng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施有以下幾個內(nèi)容：樁防腐、地基防腐、防水、樓板、剪力墻防裂、整體結(jié)構(gòu)耐久性要求、主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造等。舉例來說，在沿海地區(qū)的工程建設(shè)過程中，由于地下水侵蝕問題，需遵循GB／T50046《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，根據(jù)不同的腐蝕程度，采用不同的防腐方法。設(shè)計(jì)時，需仔細(xì)分析腐蝕原因、腐蝕類型和級別，并制定相應(yīng)對策。這樣的保護(hù)措施會對施工成本帶來影響，因此，在做出決策之前，應(yīng)先進(jìn)行多個方案的比較。3.4其他優(yōu)化措施3.4.1施工階段的制度完善對于建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于其涉及的內(nèi)容比較多，在實(shí)際設(shè)計(jì)中會受到諸多因素的影響和制約。想要確保工程質(zhì)量，達(dá)到控制成本目的，需要從項(xiàng)目施工的角度上設(shè)置針對性的施工計(jì)劃。科學(xué)合理地制訂施工管理制度，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，對各環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致核對，才能確保設(shè)計(jì)效果。3.4.2在決策過程中實(shí)現(xiàn)跨部門協(xié)作在住宅建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，多是由設(shè)計(jì)人員單打獨(dú)斗。需在決策過程中，要求設(shè)計(jì)小組和其他部門共同參與其中，進(jìn)而從質(zhì)量、安全性、成本等方面進(jìn)行分析，以評估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合效能。因此在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重視優(yōu)化決策機(jī)制，以保證各部門都可參與到設(shè)計(jì)活動中去，尤其是工程造價(jià)部門的介入，需要多個功能部門的共同協(xié)作以獲得最優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。3.4.3充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，在目前的住宅建筑設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。由于住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會受到內(nèi)外因素的影響，為適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過各種結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，其操作簡便、快速。又如，利用CAD繪圖軟件，可以對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行快速高效處理，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得以較快實(shí)現(xiàn)。4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)節(jié)約應(yīng)用案例4.1案例背景某建筑物共計(jì)17層，地下一層，樓高64.65m。在平面布置方式上，為矩形對稱?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓采用框架結(jié)構(gòu)。地下室頂樓板為無梁式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓板。隔墻采用120厚/180厚灰砂磚，二次構(gòu)件均采用C25混凝土，墻、柱、板均采用HRB400級鋼筋。4.2傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果通過結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為結(jié)構(gòu)總重力荷載26787t，鋼筋用量69.6kg/m2，混凝土使用量為0.60m3/m2。結(jié)合各種計(jì)算結(jié)果表明，鋼筋的有效利用率較低，位移比、剛度比、剪力比、軸壓比、剛重比和彈性層間位移角等數(shù)據(jù)顯示，安全儲備偏大，說明縱向結(jié)構(gòu)剛度偏大，再結(jié)合材料用量指標(biāo)，均表明存在優(yōu)化空間。4.3結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化效果分析通過對常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果的分析，可從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè)計(jì)控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化。其中結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)指的是結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)體系、平面造型、高寬比、結(jié)構(gòu)平面布置、樓蓋結(jié)構(gòu)體系等。細(xì)