基于工程造价的钢筋混凝土建筑结构优化设计研究

2019-11-29王思棋

建材发展导向 2019年19期

王思棋

（安徽省招标集团股份有限公司，安徽合肥 230000）

1 工程造价与钢筋砼建筑结构设计之间的关系

与工程造价相关的建筑结构设计参数主要有尺寸、比例、形状等。不同设计参数的选择与建筑结构性能是否达标直接相关，进而影响相应材料的选取及成本。1）尺寸参数。对于长度尺寸较大的建筑结构，若未设计永久性施工缝，则称其为超长建筑。在建设过程中，需要考虑的混凝土材料应力更加复杂，即对结构提出更高的荷载性能要求。因此一般尺寸较长的建筑结构，其钢材的用量更大。在柱结构中，影响造价高低的主要是柱网的尺寸。柱网尺寸大，用钢量上升。同时，柱网数量的增加也会带来更大的材料成本。2）比例参数。在平面结构中，若长宽比较大，其轴向上不同位置的刚度存在明显变化，为了充分适应水平荷载的要求，通常会涉及到更高的配筋[1]。在纵向结构中，若高宽比较大，相同条件下建筑整体稳定性降低。为使其满足建筑要求，需要设置更多的抗侧向荷载构件，带来更多的材料需求。3）形状参数。通常情况下，平面形状越规整的结构其单位造价越低。当层面积相同但外墙尺寸更高时，钢材料的消耗量也越大。除影响工程造价之外，平面结构的形状还与建筑的抗震性有关，即不规则程度越高，其抗震性能越差。

2 基于工程造价控制的钢筋砼建筑结构优化设计

2.1 基于工程造价控制的柱结构优化设计

综合考虑建筑结构性能及工程造价控制的要求，柱结构的优化设计核心对象为轴压比。柱结构设计要求达到最佳的延展性，但柱的延展性与轴压比之间存在反比例关系。要求在优化设计中适当选取轴压比，确保柱结构荷载性能及合理的柱截面，合理降低钢筋用量。实际工作当中，可依照如下规律进行柱结构的设计：首先，优先选取正方形作为柱结构的截面。其次，尽量采用大偏心破坏的破坏形式。再次，防止建筑工程当中出现短柱。最后，确保水平及垂直方向上柱结构复合箍筋相等。通过大量实践经验总结，若能在设计过程中满足以上四项条件，柱结构的延展性能可得到明显的优化，且降低对钢筋及混凝土原材料的需求，达到控制成本的目的。

2.2 基于工程造价控制的梁结构优化设计

钢筋砼建筑中的梁结构，其纵向荷载的主要承担者为下部钢筋及支座负筋，以上结构也是基于工程造价控制的结构优化设计对象。梁结构的优化同样存在一定规律：第一，合理控制梁结构混凝土材料的强度。第二，优选矩形的梁结构截面，适当降低截面的长宽比。第三，优选高强度螺纹钢作为梁的纵向受力结构。第四，对于上部受力钢筋来说，若无法满足单排配置的要求，可调整支座负筋的设计方法，依照“第一排净跨1/3 截面、第二排净跨1/3 截面”进行设计，以减少钢筋材料的用量[2]。另外，选用架立钢筋的方式进行梁结构上部钢筋设计，并选用直径在12 或14 的高强度螺纹钢，可在提升梁结构荷载能力的同时，节约建筑用材，控制工程造价。

2.3 基于工程造价控制的原材料优化选型

1）钢筋材料优化选型，受到成本控制、建筑节能等观念的影响，钢筋砼建筑结构设计中HRB500/400 型号的钢材料逐渐普及，可提供更高的钢筋、混凝土粘合性能，提高钢筋的抗拉强度，并起到节约建筑成本的作用。以型号为HRB500 和HRB400 的钢筋材料为例，在强度方面，前者要优于后者15%左右，但其配筋率有所降低，成本相对提高近10%。而对比型号HRB335 的钢筋材料，其强度提升了45%，配筋率降低0.1%，工程造价提升8%左右。总结来说，更优质的钢筋材料具备更低的配筋率，虽然带来的成本更高，但其强度及性能提升显著。因此有以下结论：若建筑结构要求钢筋截面在8～18mm，优选HRB400 钢筋；若钢筋截面在20mm 以上，优选HRB500 钢筋。

2）混凝土材料优化选型，混凝土材料的选择需要综合考虑建筑结构、抗震性能、工程造价等多个方面的要求，对于不同强度的混凝土材料，其市场价存在明显的差别。例如，型号为C30、C35 的混凝土强度逐渐提升，对应的单价也随之提高，强度每上升一个等级，单位成本上升1/10 左右。在混凝土材料选型时，其强度的选择还要结合混凝土的应用位置。例如，柱、墙等结构属于建筑结构的主要承载构件，可通过提高混凝土强度的方式来降低柱截面的大小，保证其能够充分满足结构强度及抗剪需求，减少材料投入。而对于梁结构来说，混凝土的强度对其荷载能力及配筋并不存在明显的影响，反而选用高强度的混凝土会提高梁结构开裂的概率，因此在设计梁结构时可适当降低混凝土的强度。一般要求梁结构的混凝土强度控制在C30～C35。混凝土强度对于板结构来说同样不产生较大的荷载能力影响，若选用强度过高的混凝土材料，板结构的配筋率及开裂概率均会提升，因此一般选用型号为C30 和C35 的混凝土进行板的浇筑。