艾純志

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

2013年中國提出共建“一帶一路”倡議,中國有色金屬企業(yè)、工程公司、設計院加速走出國門,在海外興建或承攬EPC總承包項目。這些工程項目所在地主要集中在南美洲、中東、東南亞等地,上述地區(qū)國家土建標準均是在美國標準的基礎上對美國標準原文進行摘抄、增刪、修訂,或者直接引用,均屬于美標體系。這些國家當?shù)厥┕て髽I(yè)只能按美標要求施工,業(yè)主聘請的PMC團隊也只能按照美標體系標準進行設計審查、施工過程監(jiān)督和工程驗收。因此,很多工程項目的建設方出于上述考慮,會在合同中要求總承包商按照美標體系的土建標準進行設計和施工。

中國的工程公司雖然擁有豐富的國內工程經(jīng)驗,但由于美標和國標存在差異,僅僅依據(jù)國內類似工程積累的材料量、工期等經(jīng)驗進行報價和決策,往往存在巨大風險,早期曾出現(xiàn)很多由于中美標準差異導致項目前期報價不準、實施過程中土建材料量產(chǎn)生偏差的情況。沈陽鋁鎂設計研究院有限公司(簡稱沈陽院)近些年隨著自身鋁工藝技術的持續(xù)提升,接連在委內瑞拉、沙特、印度尼西亞等國家承攬了電解鋁、氧化鋁、碳素等大型工程設計和總承包業(yè)務,而這些工程的土建設計均采用美國標準。在土建美標設計、審查、施工服務過程中,沈陽院積累了一些經(jīng)驗。本文將對比中美規(guī)范中對土建投資影響較大的活荷載和抗震設計的差異,進而為國內工程公司評估海外總承包項目土建成本起到拋磚引玉的作用。

1 美國荷載規(guī)范簡介

美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]規(guī)定了建筑結構的最小設計荷載的確定準則,主要包括:①各類建筑結構的風險等級及對應的各類荷載工況下的結構重要性系數(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地震荷載效應的確定方法,主要包括地震動參數(shù)、場地類別、反應譜曲線、地震荷載方向、結構抗震設計等級(SDC)等的確定,結構抗震體系、規(guī)則性、分析設計方法、建模準則的選取和判定,結構地震側移限值的規(guī)定等;以及④結構及構件風荷載設計值的確定方法。

與美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]內容范圍對應的中國規(guī)范主要包括:《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009)[2]、《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011)[3]、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306)[4]。

對于一般工業(yè)及民用建筑,活荷載(包括樓面活荷載和屋面活荷載)和抗震設計對建筑結構的安全性和經(jīng)濟性影響最大,本文將主要對比中美規(guī)范在這兩方面的差異和影響。

2 中美活荷載工況對比

中美荷載規(guī)范對于活荷載工況的規(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系數(shù)。

2.1 活荷載取值

表1和表2列出了中國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[2]和美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]規(guī)定的常見建筑占用類別的樓面均布活荷載(L)和屋面均布活荷載(Lr)的最小標準值。

表1 中美荷載規(guī)范樓面均布活荷載(L)最小取值(標準值,kN/m2)

表2 中美荷載規(guī)范屋面均布活荷載(Lr)最小取值(標準值,kN/m2)

由對比可見,美國荷載規(guī)范規(guī)定的建筑結構的樓面活荷載和屋面活荷載最小取值普遍高于中國荷載規(guī)范。

2.2 活荷載折減系數(shù)

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

(1)中國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[2]第5.1.2條規(guī)定:① 設計樓面梁時,對于住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園,當梁的從屬面積超25 m2,可采用折減系數(shù)0.9;對于除汽車通道及客車停車庫以外的其它建筑場所,當梁的從屬面積超50 m2,可采用折減系數(shù)0.9。② 設計墻、柱和基礎時,對于住宅、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;對于除汽車通道及客車停車庫以外的其它建筑場所,應采用與其樓面梁相同的折減系數(shù)?！督ㄖY構荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[2]沒有對屋面活荷載折減系數(shù)作出明確規(guī)定,但要求對不同類型的結構應按有關設計規(guī)范的規(guī)定采用,且不得低于0.3 kPa。

表3 《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)對活荷載按照樓層的折減系數(shù)

(2)美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]第4.7、4.8節(jié)分別對規(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)的折減做了詳細的規(guī)定,主要包括:① 當規(guī)范規(guī)定的最小樓面均布活荷載取值超過4.79 kPa時,以及對于客車車庫,樓面活荷載不允許折減,除非構件支承2層及以上樓板時,樓面活荷載的折減系數(shù)可取≥0.8,且不應小于按照第③ 條計算得到的折減系數(shù);② 對于集會場所,樓面均布活荷載不允許折減;③ 對于不屬于① 、②情況的構件,當其KLLAT值大于或等于37.16 m2時,可根據(jù)構件的類型和從屬面積對規(guī)范規(guī)定的最小樓面均布活荷載進行折減,折減系數(shù)RL按式(1)進行計算:

(1)

式中:RL——樓面活荷載折減系數(shù);

KLL——構件類型系數(shù)(見表4);

表4 構件類型系數(shù),KLL

AT——構件的活載從屬面積,m2。

對于規(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)構件的活載從屬面積和屋面坡度進行折減,折減后的屋面活荷載(Lr)應滿足:0.58 kPa≤Lr≤0.96 kPa。折減系數(shù)按照式(2)進行計算:

RLr=R1R2 (2)

式中:RLr——屋面活荷載折減系數(shù);

AT——構件的活載從屬面積,m2;

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

2.3 活荷載分項系數(shù)

按照我國現(xiàn)行的《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50068-2018)[5],當對結構構件進行強度設計時,活荷載與永久荷載的基本組合中,活荷載的分項系數(shù)γQ取1.5。

按照美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1],當對結構構件進行強度設計時,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)的分項系數(shù)應取不同數(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),美國規(guī)范的活荷載分項系數(shù)比中國標準大6%～7%。

2.4 活荷載差異對工程量的影響

對于樓面均布活荷載,雖然美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]規(guī)定最小標準值較大,但是對于受荷面積較大的主梁、柱、基礎等構件,其活荷載折減也較多,例如,內柱和無懸挑板的外柱的實際受荷面積AT大于等于9.3 m2時,其樓面均布活荷載折減系數(shù)RL≤0.62,角柱和無懸挑板邊梁的實際受荷面積AT大于等于18.6 m2時,其樓面均布活荷載折減系數(shù)RL≤0.78。但是,對于有懸挑板的邊梁、次梁、樓板,只有當其實際受荷面積AT大于等于37.16 m2時,才能對樓面均布活荷載進行折減,常規(guī)的建筑結構很難滿足這個要求,由此可以預見,采用美國標準會造成結構的邊梁、次梁、樓板構件的截面尺寸及配筋明顯增加。

對于屋面均布活荷載,按照美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]的要求,只有當構件的實際受荷面積AT大于等于18.58 m2時,才能對樓面均布活荷載進行折減,對于次梁、邊梁、樓板、檁條等受面積較小的構件,當不滿足此條件時,其屋面均布活荷載的最小值為0.96 kPa,遠大于中國規(guī)范規(guī)定的取值,尤其是對于單層門式剛架輕鋼結構的屋面檁條,美國標準規(guī)定的屋面均布活荷載是中國國家標準的2倍～3倍,會造成檁條用鋼量的大幅增加。

下面通過一個設計示例進行對比。如圖1所示,模型為一棟三層混凝土框架結構,層高為4.8 m;框架兩個方向均為3跨,每跨6 m;底部兩層為辦公室,頂層為會議室,屋面為一般上人屋面;為了體現(xiàn)中美活荷載差異對該模型混凝土結構鋼筋用量的影響,除結構自重外,僅對模型分別按照美國和中國規(guī)范規(guī)定的最小取值施加活荷載,并考慮對應的折減系數(shù),不考慮其它荷載。活載取值見表5,構件的截面尺寸、活載折減系數(shù)見表6,構件的類型見圖2。

表5 示例模型各層樓板活荷載

圖1 三層框架結構整體模型

圖2 框架各層平面結構布置

表6 示例模型構件截面尺寸及活荷載折減系數(shù)

通過采用STAAD.Pro軟件進行內力分析,并采用STAAD的RCDC混凝土設計模塊按照美國混凝土規(guī)范進行配筋設計,可以分別得到該模型基于中國和美國活荷載的配筋結果,如表7所示,采用美國規(guī)范活荷載,構件的含鋼量約增加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比

3 中美抗震設計對比

3.1 抗震設計參數(shù)和地震力

中美抗震設計參數(shù)的差異主要體現(xiàn)在兩個方面:

(1)在確定和區(qū)劃反應譜加速度基本參數(shù)時,① 美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]基于50年超越概率為2%的“最大考慮地震”(MCER)繪制地震動譜加速度參數(shù)Ss和S1的區(qū)劃圖,Ss和S1分別乘以場地土類別系數(shù)Fa和Fv,得到“大震”下考慮場地土效應調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作為設計地震動譜加速度參數(shù);② 中國《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》 (GB 18306-2015)[4]基于50年超越概率為10%的“中震”進行地震動參數(shù)區(qū)劃,并以此確定《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)[3]中的烈度。

(2)在計算結構的地震力或與地震力相關參數(shù)的數(shù)值時,對于一般結構,① 美國荷載規(guī)范(ASCE 7-16)[1]要求考慮結構的延性,引入并規(guī)定了各種形式結構的響應修正系數(shù)R(1≤R≤8),結構地震力的計算公式中,設計地震動譜加速度需要除以對應的響應修正系數(shù)R;結構節(jié)點計算和構造措施必須滿足相應的延性要求;② 《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)[3]的地震力計算公式中沒有與結構延性相關的參數(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)計算地震力,同時對不同抗震等級的各類型結構,通過規(guī)定采用相應的抗震構造措施,保證結構具有適度的延性。

當有采用中國抗震設計規(guī)范評估美標項目的結構抗震設計的需求時,可以參考相關文獻[6]給出的中美抗震設計規(guī)范地震動參數(shù)換算關系,將美標體系的地震動參數(shù)轉換為中國規(guī)范對應的烈度、場地特征周期參數(shù),并運用國內的PKPM等內嵌了中國設計規(guī)范和標準的軟件進行快速的設計評估。本文認為,中美抗震參數(shù)的轉化只適用于項目最前期的評估階段,其轉化結果很難得到國外PMC設計審查的認可,如果國內的設計院確定被要求采用美國標準體系進行結構設計,并需要接受國外PMC的設計審查時,這種參數(shù)轉化是沒有必要的,應該直接采用PMC認可的結構分析設計軟件,并依據(jù)美國標準進行結構分析和設計,確保從可研到詳細設計的全過程采用統(tǒng)一的設計標準和參數(shù),避免因中美規(guī)范之間差異造成的成本偏差。

3.2 抗震設計差異的影響

通過上面的對比可以發(fā)現(xiàn),中美在抗震設計方面存在理念上的明顯差異,對于一般結構,中國采用“小震”(50年超越概率63%)反應譜加速度參數(shù),計算得到“小震”下的地震力;美國的地震動譜加速度參數(shù)Ss和S1是基于“大震”(50年超越概率2%)確定的,設計反應譜加速度參數(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%)反應譜加速度參數(shù)SDS和SD1[6]。盡管如此,由于美國在計算地震力時除以了與結構延性相關的響應修正系數(shù)R,當設計選用延性較高的結構形式時,R值最大可以取8,近似相當于將“中震”地震力折減了7/8,當設計選用延性較低的結構形式時,R值最小可以取1,近似相當于按“中震”地震力設計,由此可見,采用不同延性設計時,按照美國規(guī)范計算的地震力有可能比中國規(guī)范大,也有可能比中國規(guī)范小。

值得注意的是,高延性結構設計會使結構的抗側力體系構件截面顯著減小,降低材料用量,但同時需要更復雜的結構分析和特殊抗震節(jié)點設計,這將導致設計周期大幅延長。低延性結構設計會導致結構抗側力體系構件截面較大,材料用量較多,但是結構分析和節(jié)點設計大大簡化,設計周期較短。因此,中美抗震設計差異的影響不僅體現(xiàn)在工程量上,還體現(xiàn)在結構分析和設計的復雜性上,這需要總承包方與設計院共同討論協(xié)商,在工程材料成本與工程進度成本之間尋求一種平衡。

4 結 語

本文對比了中美規(guī)范對活荷載和抗震設計規(guī)定的差異,并討論了其對國內工程公司承攬海外總承包項目可能造成的影響。

(1)美國荷載規(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荷載規(guī)范,活荷載分項系數(shù)比中國荷載規(guī)范高6%～7%,雖然美國對活荷載的折減規(guī)定更加明確和詳細,通過示例對比,總體上美國規(guī)范的活荷載設計值大于中國規(guī)范,會造成工程量的增加。

(2)中美抗震設計存在理念差異,中國規(guī)范的地震力計算采用“小震”設計反應譜加速度參數(shù),且計算公式中沒有與結構延性相關的參數(shù);美國采用“大震”地震動譜加速度參數(shù)Ss和S1和近似“中震”的設計反應譜加速度參數(shù)SDS和SD1,并在計算地震力時考慮與結構延性相關的響應修正系數(shù)R,使高延性結構的地震力較小,低延性結構的地震力較大,因此當結構延性未定時,無法比較中美規(guī)范地震力的大小和準確評估對總承包項目造成的影響。建議總承包方與設計院共同討論協(xié)商,在工程材料成本與工程進度成本之間尋求一種平衡。