耿彬

（北京世紀(jì)安泰建筑工程設(shè)計有限公司，北京 100044）

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計成本優(yōu)化探析

耿彬

（北京世紀(jì)安泰建筑工程設(shè)計有限公司，北京 100044）

為了降低建筑材料用量、節(jié)約工程造價，目前許多高層住宅建筑都在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中增加混凝土的單位面積和折算厚度，并對鋼筋含量實施限值。論文主要通過實例計算分析高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用高強度鋼筋構(gòu)件和混凝土，其目的是為了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中做到含鋼量與混凝土單方含量的限值優(yōu)化，但依然保持建筑原始結(jié)構(gòu)的安全性，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加趨于合理。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;成本優(yōu)化;含鋼量;混凝土;梁;板

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.008

在高層建筑的施工圖階段，它的主要技術(shù)宗旨就是選擇適合的建筑荷載、控制計算混凝土構(gòu)件的裂縫及配筋問題，本文主要探討如何合理分配樓板結(jié)構(gòu)及梁結(jié)構(gòu)中的含鋼量。

1 建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點——板

1.1 板中鋼筋的選擇

在裂縫計算過程中，考慮到它的結(jié)構(gòu)板處于室內(nèi)一類環(huán)境，所以，裂縫寬度應(yīng)該取值0.3～0.4mm范圍內(nèi)為最佳。一般來說，高層建筑混凝土構(gòu)件裂縫并非受力承重所致，而多為收縮及溫度裂縫，因此，可以根據(jù)塑性內(nèi)力重分布的思路來為混凝土構(gòu)件進行計算和配筋。其裂縫驗算公式如下：

由上式可知，混凝土構(gòu)件裂縫的寬度實際與鋼筋的彈性模量是存在關(guān)系的，但與鋼筋的強度無關(guān)。目前，利用HRB335級鋼筋與HR4B400級鋼筋對其構(gòu)件裂縫進行控制，由于二者彈性模量相同，如果配筋量相同那么對裂縫控制效果也會一樣，所以，可以采用性價比相對較高的HRB335級鋼筋[1]。

1.2 板的選擇

板的選擇首先要考慮它的厚度，而且厚度的取值完全取決于板跨及板上的荷載作用。高層建筑結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，要在許多方面實施宏觀控制，例如筒體的抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計、板厚度設(shè)計、單雙向板與邊界條件的區(qū)分等等。就以住宅建筑為例，它的荷載不易過大，并且也要配合電線敷設(shè)的具體需求，所以板的厚度最低不能小于100mm，而且板的跨度也不能過小。其設(shè)計的基本原則是保證通過內(nèi)力控制來定量板的配筋，盡量選擇高強度配筋，達(dá)到節(jié)省建筑含鋼量的目的。而不是通過高強度混凝土來控制裂縫問題，因為混凝土的強度并不會起到太多降低建筑結(jié)構(gòu)含鋼量的作用。通常情況下高層建筑項目都會采用HRB400鋼筋來降低結(jié)構(gòu)設(shè)計中的含鋼量，并選擇大跨度雙向板來緩解荷載問題，實現(xiàn)成本優(yōu)化目的。

按照我國的《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》中所提出的要求，高層建筑采用大跨度雙向板是相對合理的。而為了配合板的設(shè)計、節(jié)省鋼筋，則選擇分板帶配筋的方法。在這種方法中，板的配筋計算主要分為兩類：塑性理論與彈性理論。彈性理論中將混凝土視為是彈性體，并按照該理論方法來求解大跨度雙向板的內(nèi)力變形狀況，這種方法相對更加安全，所以被許多建筑項目所采用。相比較而言，塑性理論則趨向于將混凝土作為彈塑性體，并按照塑性理論來分析和求解板所存在的配筋狀況和內(nèi)力。分板帶配筋方法的核心內(nèi)容就是圍繞雙向板超靜定結(jié)構(gòu)的特點將它的受力內(nèi)容重新基于塑性內(nèi)力進行分配，將雙向板的實際受力狀態(tài)歸于常態(tài)化，滿足建筑正常使用環(huán)境下的極限狀態(tài)，也為工程項目取得了較好收益。

在板的構(gòu)件中可以考慮采用冷軋帶肋焊接鋼筋網(wǎng)片，例如在現(xiàn)澆板中就可以用它來取代普通鋼筋。這種新型鋼筋焊接網(wǎng)片主要用于板筋結(jié)構(gòu)，它所采用的是縱橫鋼筋點焊成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在均勻受力狀態(tài)下也能起到黏結(jié)錨的作用，再配合鋼筋混凝土的橫肋發(fā)生變形，可以大幅度強化混凝土本身的握裹力，避免混凝土裂縫的出現(xiàn)。再者，利用冷軋帶肋鋼筋替代HPB235級鋼筋其本質(zhì)屬于強代換，所以沒有必要再進行混凝土構(gòu)件裂縫推理驗算。如果高層地下室為非人防結(jié)構(gòu)，那么它的頂板、樓板和屋面板聯(lián)系部位必然薄弱，尤其是像地下室與一樓的轉(zhuǎn)換層必須加強。它主要采用的是以最小配筋率為原則的雙層雙向拉通配合額外普通鋼筋的綜合性工藝，再根據(jù)地下室頂板、樓板和屋面板的豎向荷載狀況來調(diào)配鋼筋的數(shù)量，以合理計算地下室板結(jié)構(gòu)構(gòu)件中所需要的含鋼量。如表1就計算了在不同型號鋼筋的配比計算（彈性、塑性計算）后，板中的含鋼量變化。

表1 建筑單體鋼筋計算方法及鋼筋含鋼量統(tǒng)計數(shù)據(jù)(mm)

根據(jù)《冷軋帶肋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，如果用鋼筋混凝土梁來連接單向及雙向板，板的周邊直徑最小不能小于8mm，且板與鋼筋之間間距不能超過200mm。所以，對板結(jié)構(gòu)采用高強度鋼筋后，由于板底配筋依然大部分為構(gòu)造配筋，相比理論所節(jié)省的鋼筋數(shù)量更多。如果是采用HRB400級鋼筋，其相比于HPB235級鋼筋用量約減少10.5%～34.8%。而如果采用CRB550冷軋帶肋鋼筋則能夠降低17.5%～33.4%的含鋼量。因此，板結(jié)構(gòu)中板跨越大，含鋼量也就越低，所節(jié)省的鋼筋也就越多[2]。

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點——梁

2.1 梁構(gòu)件設(shè)計的配筋率分析

如果對高層建筑的結(jié)構(gòu)梁采用側(cè)面構(gòu)造鋼筋，則最好選擇直徑為10mm的鋼筋。而次梁截面由于在板的厚度與腹板高度上有所減弱，所以可以不用設(shè)置側(cè)面構(gòu)造鋼筋。在高層建筑的梁結(jié)構(gòu)施工中，經(jīng)常用板底附加鋼筋來代替次梁，并按照最小寬度（150～170mm）和最小高度（250～300mm）來實施設(shè)計。由于梁的集中荷載處所采用的是附加橫向鋼筋結(jié)構(gòu)，并按照該結(jié)構(gòu)設(shè)置計算，所以，附加箍筋可以在次梁的兩側(cè)各設(shè)置兩個，從而滿足次梁的集中荷載需求。而如果主次梁高度等高，那就可以選擇不對其設(shè)置附加鋼筋，降低梁設(shè)計的含鋼量使用。

如果以梁構(gòu)件設(shè)計的角度來看，不應(yīng)該對高層建筑中配筋率低于1.5%的梁選擇適當(dāng)增加梁寬來降低它的用鋼量。反觀如果梁構(gòu)件的配筋率高于1.5%，則可以適當(dāng)增加梁寬來避免超筋現(xiàn)象，實現(xiàn)對縱筋及混凝土裂縫寬度的控制。另外，增加梁高也能適當(dāng)降低用鋼量，但是這主要要看建筑項目本身的實際條件而定，一般要配合梁構(gòu)件的跨度來確定梁高。如果對梁的配筋排數(shù)與數(shù)量相同，則最好選擇直徑較小的鋼筋，這樣做對降低梁的搭接長度與錨固長度損耗都有幫助。

以高層建筑地下停車場頂板為例，如果它的荷載較小，則最好采用十字梁；反之如果荷載很大，則最好采用井字梁。同時，也要考慮地下停車場頂板框架的梁縱筋承載力問題，對其進行計算并控制鋼筋的配筋值。具體講，使用HRB400鋼筋相比于HRB335鋼筋可節(jié)省約20%左右的用鋼量。但對于某些高層建筑的梁板式地下室底板結(jié)構(gòu)而言，則主要采用HRB335級鋼筋為最佳。當(dāng)它的配筋率臨界狀態(tài)為2%時，則要改用HRB400級鋼筋，這樣做既能降低縱向鋼筋的配筋量，也能降低梁構(gòu)件設(shè)計中箍筋的用量。

2.2 關(guān)于節(jié)省高強度鋼筋用鋼量的理論性計算

相比較而言，HRB335與HRB400兩種級別的高強度鋼筋其鋼筋強度設(shè)計值應(yīng)該為300與350N/mm2，所以它們之間的鋼筋強度設(shè)計比值就應(yīng)該為1.16%，這說明后者HRB400的設(shè)計比值是高于前者HRB335的，按照市場價格，它們的價格比例約為1.02%。如果考慮在建筑中采用強度較高的HRB400級鋼筋，則能夠節(jié)省用鋼量為：1.16÷1.02-1=13.7%。所以利用高強度鋼筋用量節(jié)省理論來降低高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的含鋼量也是最好的成本優(yōu)化辦法[3]。

3 結(jié)語

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的含鋼量控制是多方面的，本文僅從板與梁構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)對用鋼量的優(yōu)化與成本的節(jié)約。如果能在施工圖階段對設(shè)計進行細(xì)化，合理選用荷載，并滿足設(shè)計規(guī)范構(gòu)造要求，就能實現(xiàn)施工的經(jīng)濟合理與安全適用性。

【1】何耘天.淺析高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中的含鋼量控制[J].價值工程, 2010,29(35):83-84.

【2】郭潔萍.探析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計措施[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2014（30）：101.

【3】梁珊珊.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計含鋼量的控制問題解析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版）,2013(4)：98-99.

Analysis on theCost Optimization of Building Structure Design

GENG Bin
(Beijing Centry Antai Construction Engineering Design Co.Ltd.,Beijing 100044,China)

In order to reduce the amount of constructionmaterials, project cost savings,manyhigh-rise residential buildings have increased per unit area and thickness of the concrete translation in reinforced concrete structure design process, and the implementation of reinforced limit content. This papermainly through the example calculation analyze the structural design of high-rise building basement, and applied to the high strength of reinforced concretemembers and their aimis tomake the design of structures to contain the amount of steel and concrete contents of unilateral limits optimization, but still maintaining the security architecture of the original structure, so that the structural design morereasonable.

architecturedesign;costoptimization;withtheamountofsteel;concrete;beam;plate

TU375;TU973.1+2

A

1007-9467（2016）09-0047-03

2016-04-19

耿彬（1969～），女，北京人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計與研究，（電子信箱）13910637022@163.com。