混凝土結構設計的經濟性

文/王吉輝 大連經濟技術開發區規劃建筑設計院 遼寧大連 116600

混凝土結構設計的經濟性

文/王吉輝 大連經濟技術開發區規劃建筑設計院 遼寧大連 116600

經濟性設計遠在公元前1世紀就為設計師所意識。古羅馬建筑師維特魯威在其著名的《建筑十書》中提出了三位一體的基本原理或者說設計原則，即一切建筑都應當恰如其分地考慮到堅固耐用、美麗悅目。他對建筑設計美的研究，始終結合著建筑物的性質、位置、環境、大小、實用、經濟等因素進行，這里的原則精神一般地運用到其它藝術設計中，其中所說的“實用經濟”等因素顯然就是經濟性。隨著當今市場經濟的發展，為了獲取最大的利潤空間，經濟性已成為對設計產品評估的非常重要的一個標準。合理的成本控制理念，設計者應貫穿與整個結構設計當中。

混凝土結構；設計；經濟性

現有的設計大環境，建設單位對設計的經濟性，主要指標控制在鋼筋用量及混凝土用量方面。建設單位提出的用量控制指標，一般根據同類工程的經驗數值確定的。然而實際工程由于建筑方案的千變萬化，造成較大的不可比性。一般來說，非標準層部分，由于使用功能等的不同，結構用材可比性不強，地下室及基礎由于所處環境等原因，也不具有明顯的可比性。相對而言，標準層一般變化不大，是具有較強可比性的。

對于非標準層位置，一般為裙房商業部分。由于商業的使用功能不同，決定了結構設計的荷載差異較大。如商場的電影院部分，為追求感官的效果，電影屏幕基本都是跨結構層設置，造成此部分結構豎向不規則，很可能產生薄弱層，相對地震力應增大，結構構造措施應加強，因此造成鋼筋及混凝土用量比一般結構增大較多。另外商場上有設置游泳，健身等荷載較大的使用功能的房間，也造成此位置比一般使用功能的房間的用鋼筋量及混凝土量大較多。還有為了追求建筑美觀的效果，懸挑構件及不規則的平面豎向造型，均造成結構用料的增加。所以非標準層部分，結構經濟性是不具有可比性的。

對于地下部分，受到地下室層數，地下水位，是否設置人防地下室，地面覆土的厚薄以及是否考慮消防車荷載等情況的影響，地下室結構設計的主材用量差別很大。地基基礎的形式也由于地基場地土的不同，而差別較大。場地條件好時，可采用天然基礎，相對而言地基基礎費用較低，而當地質條件很差時，如軟土地基或者嚴重不均勻地基，當采用樁基礎或進行嚴格的地基處理，此情況費用較高。所以地下部分結構經濟性也是不具有可比性的。

對于標準層部分，在整個建筑中，其量大面廣，為建筑的主體結構部分，所以控制住標準層的鋼筋混凝土用量，也基本也就控制住了整個工程的結構用料造價。同時標準層一般變化不大，其建筑布置具有較大的相似性，綜上所述，我們控制結構主材用量的主要精力，應放在對標準層的控制上。

如何控制標注層的鋼筋混凝土用量，我們應從結構選型，平面布置及材料強度方面綜合考慮。

結構選型：高層建筑常用的結構形式有框架結構，框架-剪力墻結構，剪力墻結構，筒體結構等。每種結構形式，當高度不同時，其抗震等級是不同的。以7度區為例，框架結構，高度超過24米時，其抗震等級就為二級，框架剪力墻結構，當高度超過60米時，其抗震等級才為二級，高度不大于60米時，框架剪力墻結構中的框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級，剪力墻結構，高度超過80米時，其抗震等級才為二級，不超過80米時，其抗震等級為三級。所以僅從抗震等級角度出發，當高度不超過24米時，結構形式宜為框架結構，當高度超過24米而不超過60米時，結構形式宜為框架剪力墻結構或剪力墻結構，當高度超過60米而不超過80米時，結構形式宜選擇剪力墻結構，高度超過80米時，結構形式宜選擇剪力墻結構或筒體結構。

實際應用中，結構形式基本都由建筑的使用功能來決定。框架結構及框架剪力墻結構，空間布置靈活，常用于酒店，商場及辦公樓。剪力墻結構室內可不出現棱角，滿足住宅，洋房及別墅的使用及美觀要求。所以在結構形式選擇時候，我們應根據房屋建筑的使用功能，高度和所在地區抗震設防烈度，通過優化比較計算，選擇合理的結構體系，滿足經濟性的要求。

平面布置：平面布局應以方形為好，兩個主軸方向的結構剛度宜相近，狹長結構，抗側力構件不對稱布置的結構（如建筑立面需要布置單側斜柱等情況），其經濟性都非常差。高規3.4“結構平面布置”中，對結構長寬比的限值，雖然不是強制規定，但多年經驗表明，長寬比滿足規范規定限值的結構，比不滿足此規范要求的結構更經濟，且各項計算參數均很容易滿足規范要求。

正方形平面，兩個主軸方向抗側力結構構件均應布置，結構經濟性好，而長方形平面，橫向結構的側向剛度較小，縱向結構的側向剛度較大，兩個主要受力方向動力特性差異較大，需布置較多的橫向剪力墻加以彌補，造成其經濟性差很多。

材料強度：隨著鋼材市場的發展，高強度鋼材已經成為市場的主流，以前的HPB235圓鋼，也已經退出了市場。所以我們考慮結構的經濟性時，梁柱墻的邊緣構件等主要承重構件的受力鋼筋，應優先選擇HRB400級鋼筋。高強度鋼筋不但可節省鋼筋面積，同時受力構件的最小配筋率，也比低強度鋼筋低。對于梁的箍筋，當為住宅時，樓面荷載不大的情況下，鋼筋計算面積較小，可選用HPB300級鋼筋，基本可滿足設計要求，同時節省鋼筋造價。在軸壓比不滿足情況下，有條件時，宜選用高強混凝土，不宜增加墻柱截面。增大截面造成剛度增加，相應地震力增加，整個結構材料用量均增加，增大了工程的造價。

結語：

除以上方面外，設計中對參數的選取，高層嵌固端位置的選取，抗側力構件的平面布置等很多因素，均影響工程造價。

在設計中，我們應該綜合考慮整個工程，在保證結構安全性的前提下，與建筑專業密切配合，在滿足建筑使用功能，外立面的美觀的前提下，對結構進行合理的優化設計，設計出最優秀，最經濟的作品，滿足建設單位的各項要求，只有這樣，我們才能在市場競爭中，蓬勃發展，蒸蒸日上。

［1］建筑抗震設計規范（GB50011-2010）.

［2］高層建筑混泥土結構技術規程（JGJ3-2010）.

［3］朱炳寅.建筑結構設計問答及分析.