建筑结构设计过程中影响经济性的因素分析

2020-02-28尚国荣信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院

门窗 2020年11期

尚国荣信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院

1 前言

我国地域辽阔，资源丰富，但是人口众多，人均占有资源量在世界排名中处于劣势。因而国家一直倡导创建集约化社会和可持续发展社会，要在社会各项生产生活活动中，减少不必要的浪费，节约资源，为后代子孙的发展留有更大空间。

建筑工程，在我国GDP中的比重一直占有举足轻重的地位，建筑工程的发展是和社会进步、经济发展程度相一致的。纵向方面，建筑工程涉及从立项、规划、设计、施工，直至使用、拆除等阶段；横向方面，建筑工程涉及建筑、结构、给排水、电气、暖通、道路、景观、装修装饰等众多专业。由此可见每个环节、每个阶段都应该做到合理合规，才能使得建筑工程在整个生命周期中具有良好的经济性，才能符合国家的可持续发展要求。

本文就与笔者工作相关的结构设计阶段，浅析从哪些方面可以最大程度地减少投资提高项目的经济性。

2 方案设计阶段

2.1 与建筑专业相关配合

建筑专业需要结合业主需求，确定建筑物的各处功能分区、外立面造型、防火疏散等方案性的内容。在此阶段结构专业应该及早介入，在柱网布置、层高、地库埋深等方面进行把控。

关于柱网布置，结合建筑使用功能，应该尽量规则。在承担竖向荷载方面，结构重心与质心应尽量重合，即质量越大的区域，应该布置对应更多的柱、墙。在承台水平荷载方面，包括水平地震力、风荷载等，规则的柱网布置，可以使得传力路径短小、简洁，现阶段计算模型的受力模拟与与日后工程实体的实际受力状态会更加匹配，模型模拟会更真实、精度更高。不规则的柱网，传力路径不明确，不符合结构概念设计。

关于层高问题，也应是我们结构专业关注的重点。在满足视觉感受等建筑使用功能的前提下，建筑层高应尽量减少，这也是专业性的房地产开发商开发住宅时常用的手法。暖通方面，层高减小，使得整体的空气体积变小，暖通的制冷制热量变少，节约能耗；照明方面，空间变小可以采用更小功率满足相应的照度要求；结构方面，层高减小，总高度减小，竖向构件墙、柱总长度变短，节约土建材料，同时由于建筑物可以看作是嵌固于地基上的竖向悬臂构件，底部弯矩的大小是与悬臂高度的2次方成正比（M=0.5qL2），所以总高度变小对应便是水平地震力和风荷载产生的底部弯矩变小，结构配筋减少，这方面影响在高层、超高层建筑上更为突出。

一般来说，基础造价在整体土建造价中占比1/4左右，比重很大。对于有地下室的建筑物，地下室的埋深对于整体经济性有很大影响。

在结构设计方面，埋深越大，周边挡土墙受到的主动土压力对应增大，使得挡土墙的截面和配筋加大；在有地下水地区，根据阿基米德原理，物体受到的浮力等于排开液体自身的重力，那么埋深越大受到的浮力就越大，同等跨度时，筏板受到的反力更大、配筋增多，柱下使用的抗拔桩数量增多；另外还有一个人们经常忽略的一点，在墙、柱、梁构件截面不变的前提下，层高是与剪切刚度成反比的，在GB50011—2010（2016版）《建筑抗震设计规范》第6.1.14条规定，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍，即地下一层侧向刚度应是地上一层侧向刚度的2倍以上，所以如果地下室层高太大，很可能使得这个刚度比无法满足规范要求。

通过上述分析我们知道，在满足使用功能的前提下，方案阶段结构专业便应与建筑设计师进行充分沟通，在柱网、层高、地下室埋深等方面进行仔细推敲，从而使得后期环节可以减少很多不必要的材料、资金浪费。

2.2 与设备专业相关配合

设备专业通常包括水、暖、电等几个专业，其中电专业的管线较小，一般走桥架，或者电管铺设在现浇混凝土结构板中，占用空间不大；水专业末端的管道直径很小，主要是前端的主管（包括给水、排水、消防喷淋）直径一般约为100mm～250mm，占用空间一般；暖通专业因为有通风量要求，管道占用空间最大，末端一般约为150mm～250mm，前端最大可能达到350mm～550mm。

一般前期应与设备专业协商，尽量让他们将较大的管道布置在柱网较小、梁高较小的位置处，其他梁高较大的位置尽量不布置，或者布置小直径管道，如果能在梁底折弯然后贴板底设置当然更好。在一些特殊部位，梁下走管对净高影响太大时，可以采用穿梁做法，即高度方向在梁高1/3范围内，并且水平位置尽量居梁跨中，避开左右两端各1/3剪力较大处，开圆洞以便管道穿越（方形、矩形洞口有直角，容易形成应力集中，应尽量避免）。

目前，BIM技术应用日趋成熟，相较以往的手工复核，BIM技术可以用三维立体的形式直观展现构件与各类设备管道的相对关系，同时将很多错漏碰缺发现在设计阶段，避免了很多施工阶段不必要的返工，对于提高项目整体的经济性起到积极作用。

3 施工图设计阶段

3.1 材料选用

目前砖混体系的建筑物越来越少，大多数建筑基本都是由钢材、混凝土作为承重材料，蒸压加气混凝土砌块、轻钢龙骨石膏板、ALC板、焦渣混凝土、陶粒混凝土等作为分割和填充材料。

建筑非承重材料方面，在住宅类建筑中，一般建成之后功能是固定的，考虑隔声、吊挂等因素隔墙通常采用200mm厚蒸压加气混凝土砌块，结构专业此时应与建筑专业协商，某些洗手间、衣帽间是否可以改用100mm厚蒸压加气混凝土砌块，以减少荷载；在工业类建筑中，受工艺影响后期改造可能性很大，一般只在有防火要求的电梯间、楼梯间、防火分区边界等这些区域采用蒸压加气混凝土砌块，其他功能可变区域均应采用轻钢龙骨石膏板墙、ALC墙，外墙可以采用玻璃幕墙、彩钢板墙、ALC墙等；在一些结构降板需要回填区域，建议图纸对应位置应明确注明使用焦渣混凝土、陶粒混凝土等轻质填充材料以减少荷载。

结构承重材料方面，材料选用应满足规范的强度、耐久性等要求，同时尽量按照GB50010—2010（2015局部修订版）《混凝土结构设计规范》第4.1.2条的条文说明，提高材料的利用效率，工程中应用的混凝土强度等级必要时宜适当提高；第4.2.1条的条文说明，根据国家“四节一环保”的要求，提倡应用高强、高性能钢筋，逐步淘汰低等级钢筋。例轴压比超规范时，便应考虑提高混凝土强度等级，而不宜只是一味地增大梁、柱截面尺寸。

3.2 活荷载取值

在民用建筑的结构计算中，我们一般是根据房间的使用功能，查阅GB50009—2012《建筑结构荷载规范》第5.1.1条得到活荷载标准值输入到模型中进行计算，方便起见，并没有严格按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》第5.1.2条根据从属面积进行折减。其实按照规范的精神，直接承担活荷载的构件应采用满布的计算方法，间接承担活荷载的构件应考虑活荷载的分布概率问题。计算楼板配筋时采用满布活荷载，并考虑活荷载不利布置；计算梁配筋时，则应该考虑活荷载的分布概率问题，因为这根梁的从属面积范围内活荷载满布的概率并不大，当一根梁的从属面积达到一定面积时，它的活荷载便应乘以折减系数0.9；对于采用双向板的汽车库，其折减系数可以取0.8，对于采用单向板的汽车库，其不承担次梁荷载的主梁、次梁的活荷载标准值折减系数可以取0.8，其承担次梁荷载的主梁的活荷载标准值折减系数可以取0.6；计算墙、柱、基础时，由于它们是竖向构件，根据传力路径：楼板—次梁—主梁—墙、柱—基础，可以看出，竖向构件的从属面积比梁还要大，对于《建筑结构荷载规范》第5.1.1条第1（1）项的类别，应考虑楼层数对活荷载分布概率的影响，按照荷载规范表5.1.2进行折减，对于第5.1.1条第1（2）～7项的类别，继续采用与其楼面梁相同的折减系数，对于第8项的客车，单向板楼盖时可以取更小的0.5，双向板和无梁楼盖依旧取0.8。

在工业建筑的结构计算中，荷载规范给出的取值类型十分有限，一般是根据工程经验，结合业主需求和工艺需求，确定一个活荷载标准值，同时，结合荷载规范附录D的提示，一般应是计算次梁、楼板时采用同一个活荷载标准值，计算主梁、墙、柱、基础时活荷载应该再乘以折减系数0.8。通常工业楼面的活荷载取值较大，严格按此折减后再进行主梁、墙、柱、基础配筋，经济效益很可观。

关于消防车活荷载，根据板跨、覆土厚度取值，对应每个区间的具体数据在《建筑结构设计问答及分析》（第二版）1.2节有详细表格可以选用。我们工作中需要注意的是消防车荷载在模型中的布置范围问题，有些单位是将消防车可能开到的位置全部考虑上荷载（不仅仅是消防车道，其他连通的道路或绿化也算），有些则是严格按照总图上画的消防车道布置荷载。笔者认为第二种方法是合理的，一般来说非消防车道部分，道路狭窄且没有回车场，绿化部分有众多花木植物、假山等景观，现实中消防车基本无法开进去；消防车荷载在建筑物的整个设计使用年限内，出现的概率并不高，而且混凝土结构属于延性结构，即使有瞬时的过大荷载也不会马上坍塌，它可以通过塑性变形进行内力重分布。所以按照第二种方式布置荷载即可，按第一种方式布置将会造成较大的浪费。

3.3 配筋

配筋的原则是：重点部位适当包络，普通部位满足计算。对于传力不明确的部位，软件计算结果明显不符合常理的部位，对整个结构体系有重要作用的部位，除了复核软件计算参数、假定外，是可以进行适当的包络设计的，其他部位则以满足承载力极限状态和正常使用极限状态为限，不必进行人为的过多的放大。

有不少结构设计师会经常在软件计算配筋的基础之上自行放大，因为自己心里总是感觉“不安全”，但其实大可不必。仔细研究一下规范可知，材料强度分项系数、荷载分项系数、强柱弱梁系数、强剪弱弯系数、强节点弱杆件系数等等一系列系数，将材料局部质量的不确定性、活荷载分布的不均匀性、地震力的随机性等不利因素已经进行了充分考虑，为结构整体及局部的安全性构筑了坚不可摧的理论基础，所以我们设计人员的“自行放大”是属于画蛇添足。譬如规范一直强调“强柱弱梁”，而我们设计人员却经常加大梁配筋，事实上形成了“强梁弱柱”，与抗震概念背道而驰，同时也影响了项目的经济性。