土建結構設計中的細節與優化方案闡釋

李 建 東

(北京萬邦達環保技術股份有限公司，北京 100875)

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土建結構設計中的細節與優化方案闡釋

李 建 東

(北京萬邦達環保技術股份有限公司，北京 100875)

以某房屋建筑工程為例，從框架柱、框架梁、獨立基礎等方面，探討了土建結構設計中的優化方案，并計算分析了結構優化設計后的鋼筋用量，指出優化方案減少了鋼筋用量，降低了工程造價，取得了良好的社會經濟效益。

框架柱，框架梁，獨立基礎，結構設計

1 工程實例

某房屋建筑工程為獨立式辦公樓，共有10棟，每棟辦公樓均為4層，采用的是當前較為流行的框架結構，單個辦公樓的建筑面積約為3 754 m2，整個工程的總建筑面積約為40 000 m2。建筑的抗震設防烈度按照7度進行設計，地震加速度的取值為0.10g，本工程建設場地為Ⅱ類，房屋設計使用年限為50年，地基基礎采用的是鋼混獨立式基礎。由巖土工程勘察報告可知，該工程所在地的地基承載力為110 kPa，鋼混獨立式基礎的高度為2.0 m，施工圖繪制完畢后，使用相關軟件對工程造價進行了初步預算，由此得出工程中含鋼量的統計結果，具體數據見表1。

表1 主要構件鋼筋用量表

對于主體為框架結構的房屋建筑而言，制約其工程造價最為主要的因素之一是鋼筋的總體含量。由表1可知，本工程中主要構件每平方米的鋼筋用量約為48.66 kg，與同類工程相比，該數值略顯偏大，也就是說，在鋼筋用量方面具有一定的優化空間。

2 土建結構設計中的細節及優化方案

本工程的總建筑面積約為40 000 m2，通過結構優化設計，若是能夠降低主要構件的鋼筋用量，則可大幅度節省建設成本。鑒于此，下面針對工程中的主要構件提出結構優化設計方案。

2.1 框架柱的優化設計

在本工程中，柱間距約為8.0 m，在初始設計時，框架柱的尺寸分為兩種，一種是500×500，另一種是500×400，通過對軸壓比等各項技術指標進行計算后發現，這兩種框架柱的尺寸均符合規定要求。對框架柱進行計算的過程中，依據有關規范的要求，可以直接采用雙偏壓進行計算，大量工程實踐表明，在同一個房屋建筑工程當中，采用雙偏壓計算的框架柱在配筋上要比單偏壓計算的結果大一些，鑒于此，決定對框架柱的兩種尺寸進行修改，一種改為500×450，另一種改為450×400，經過單偏壓計算和雙偏壓校核后發現，修改后的尺寸同樣能夠滿足規范標準要求的各項指標。對于框架柱而言，軸壓比是其截面尺寸的關鍵控制因素之一，在對框架柱進行設計的過程中，首要考慮的問題是柱截面不能摳得過緊，換言之，軸壓比不能與限值太過接近，這樣除了可以使配筋的用量大幅度減少之外，還更容易達到強柱弱梁的設計要求。所以在對框架柱的截面進行設計時應當留有一定的余地，但需要注意的是，不能使軸壓比過小，若是軸壓比過小，則會由于截面尺寸過大和最小配筋率的控制導致鋼筋和混凝土的用量增大。房建工程中，豎向受力的構件通常采用的都是構造配筋，由于框架柱歸屬于豎向受力構件的范疇，故此，它的配筋率應當控制在0.7%～1.0%左右，若是配筋率過大，柱截面則必然偏小，在此種情況下，應當增大柱截面。本工程在經過結構優化設計后，使框架柱的截面尺寸變得更為合理。

由于房建工程中的框架角柱需要承受雙向地震荷載，加之扭轉效應對內力的影響較大，以及其他一些因素，國家現行的建筑抗震設計規范對框架角柱的抗震措施及抗震構造進行了專門的規定。規范中的角柱具體是指位于建筑角部且與柱的正交方向各有一根框架梁與之相連接的框架柱，由此可知，位于房屋建筑平面結構內角處的框架柱即為角柱。需要注意的是，位于建筑平面結構內凹角位置處的框架柱，若是其四邊各有一根框架梁與之相連接，則該柱不可以按照角柱進行對待。經過結構優化設計之后，框架柱的含鋼量從20.35降低至18.02，整體優化效果較為顯著。

2.2 框架梁的優化設計

我國現行的建筑抗震設計規范對框架梁的截面尺寸進行了明確規定，具體如下：截面寬度應當不小于200 mm，截面的高寬比應當不大于4，凈跨與截面高度比應不小于4。在房建工程中，對框架梁的截面尺寸進行確定時，要充分考慮梁和柱在框架結構中的關系，框架梁的高度與跨度比可以取1/10～1/12，它的縱筋通常不會受到混凝土裂縫寬度的影響。同時，框架梁的合理配筋率應當控制在1.0%～1.8%，盡可能不要設置接近最大配筋率的梁，因為這樣可以提升經濟效益。

2.3 獨立基礎的優化設計

由地質勘察報告可知，本工程的地基承載力為110 kPa，在房建工程中，基礎的造價約占總造價的15%～20%，因此，對基礎進行結構優化設計顯得尤為必要。根據有關規范要求，在對房屋建筑基礎進行設計時，應當取標準值，而不是設計值，若是按照設計值進行計算，可能會造成基礎底面積增加，由此會導致鋼筋用量增大。采用標準值進行計算后，基礎面積有所減小。對基礎的合理優化，也可以使鋼筋的用量有所減少，在具體優化的過程中，可對地基承載力的特征值進行修正。我國現行建筑地基基礎設計規范中規定，基礎寬度超過3.0 m或是埋深深度超過0.5 m時，可對地基承載力的特征值進行適當修正。埋深較深以及寬度較大的基礎，在經過承載力特征值修正后，可以使基礎的底面積進一步減小，但在實際工程中，大部分設計人員常常忽視這一環節，他們為了節省時間，往往會直接使用地質勘察報告中給出的特征值對地基進行設計，這樣一來，便會造成基礎底面積增大，從而導致鋼筋用量增加，引起了不必要的浪費。經過修正后，本工程的基礎承載力特征值有所減小。

2.4 優化效果

通過對該工程中主要構件進行優化之后，經計算得出了一組新的鋼筋用量統計數據，見表2。

表2 結構優化設計后的鋼筋用量

用表2中的數據與表1中的數據進行對比可知，優化后的鋼筋用量減少了182 650.87-159 267.19=23 383.68 kg，含鋼量降低了6.25 kg/m2，本工程的總建筑面積為40 000 m2，由此節省的鋼筋非常可觀，隨著鋼筋用量的減少，工程造價也隨之降低，達到了提升經濟效益的目的。

3 結語

土建工程結構設計是一項較為復雜且系統的工作，為使結構設計更加合理，應當針對結構中的一些細節進行優化。本文以某房屋建筑工程為例，從框架柱、框架梁和基礎三個方面，提出了結構優化方案，經過優化設計后，該工程的鋼筋用量大幅度減少，工程造價顯著降低，經濟效益明顯。

[1] 易思偉.房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用研究[J].建材與裝飾,2016(1):32-34.

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[3] 張葉紅.關于建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用探究[J].門窗,2014(11):98-99.

[4] 李 俠.試論建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的實際應用[J].現代工業經濟和信息化,2015(10):103-104.

On details in civil construction structure and optimal scheme

Li Jiandong

(BeijingWaterBusinessDoctorCo.,Ltd,Beijing100875,China)

Taking some architectural project as the example, the paper explores the optimal scheme in the civil construction structure from the framework column, framework beam, and independent foundation, calculates and analyzes the reinforcement volume after the structural optimal design, and points out the optimal scheme can reduce the reinforcement volume, lower the engineering cost and achieve better social and economic benefits.

framework column, framework beam, independent foundation, structural design

1009-6825(2017)06-0064-02

2016-12-20

李建東(1980- )，男，助理工程師

TU318

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