基于工程造價的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

王思棋

（安徽省招標(biāo)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程造價與鋼筋砼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的關(guān)系

與工程造價相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要有尺寸、比例、形狀等。不同設(shè)計參數(shù)的選擇與建筑結(jié)構(gòu)性能是否達(dá)標(biāo)直接相關(guān)，進(jìn)而影響相應(yīng)材料的選取及成本。1） 尺寸參數(shù)。對于長度尺寸較大的建筑結(jié)構(gòu)，若未設(shè)計永久性施工縫，則稱其為超長建筑。在建設(shè)過程中，需要考慮的混凝土材料應(yīng)力更加復(fù)雜，即對結(jié)構(gòu)提出更高的荷載性能要求。因此一般尺寸較長的建筑結(jié)構(gòu)，其鋼材的用量更大。在柱結(jié)構(gòu)中，影響造價高低的主要是柱網(wǎng)的尺寸。柱網(wǎng)尺寸大，用鋼量上升。同時，柱網(wǎng)數(shù)量的增加也會帶來更大的材料成本。2）比例參數(shù)。在平面結(jié)構(gòu)中，若長寬比較大，其軸向上不同位置的剛度存在明顯變化，為了充分適應(yīng)水平荷載的要求，通常會涉及到更高的配筋[1]。在縱向結(jié)構(gòu)中，若高寬比較大，相同條件下建筑整體穩(wěn)定性降低。為使其滿足建筑要求，需要設(shè)置更多的抗側(cè)向荷載構(gòu)件，帶來更多的材料需求。3）形狀參數(shù)。通常情況下，平面形狀越規(guī)整的結(jié)構(gòu)其單位造價越低。當(dāng)層面積相同但外墻尺寸更高時，鋼材料的消耗量也越大。除影響工程造價之外，平面結(jié)構(gòu)的形狀還與建筑的抗震性有關(guān)，即不規(guī)則程度越高，其抗震性能越差。

2 基于工程造價控制的鋼筋砼建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 基于工程造價控制的柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)性能及工程造價控制的要求，柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計核心對象為軸壓比。柱結(jié)構(gòu)設(shè)計要求達(dá)到最佳的延展性，但柱的延展性與軸壓比之間存在反比例關(guān)系。要求在優(yōu)化設(shè)計中適當(dāng)選取軸壓比，確保柱結(jié)構(gòu)荷載性能及合理的柱截面，合理降低鋼筋用量。實際工作當(dāng)中，可依照如下規(guī)律進(jìn)行柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計：首先，優(yōu)先選取正方形作為柱結(jié)構(gòu)的截面。其次，盡量采用大偏心破壞的破壞形式。再次，防止建筑工程當(dāng)中出現(xiàn)短柱。最后，確保水平及垂直方向上柱結(jié)構(gòu)復(fù)合箍筋相等。通過大量實踐經(jīng)驗總結(jié)，若能在設(shè)計過程中滿足以上四項條件，柱結(jié)構(gòu)的延展性能可得到明顯的優(yōu)化，且降低對鋼筋及混凝土原材料的需求，達(dá)到控制成本的目的。

2.2 基于工程造價控制的梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

鋼筋砼建筑中的梁結(jié)構(gòu)，其縱向荷載的主要承擔(dān)者為下部鋼筋及支座負(fù)筋，以上結(jié)構(gòu)也是基于工程造價控制的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對象。梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化同樣存在一定規(guī)律：第一，合理控制梁結(jié)構(gòu)混凝土材料的強度。第二，優(yōu)選矩形的梁結(jié)構(gòu)截面，適當(dāng)降低截面的長寬比。第三，優(yōu)選高強度螺紋鋼作為梁的縱向受力結(jié)構(gòu)。第四，對于上部受力鋼筋來說，若無法滿足單排配置的要求，可調(diào)整支座負(fù)筋的設(shè)計方法，依照“第一排凈跨1/3 截面、第二排凈跨1/3 截面”進(jìn)行設(shè)計，以減少鋼筋材料的用量[2]。另外，選用架立鋼筋的方式進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)上部鋼筋設(shè)計，并選用直徑在12 或14 的高強度螺紋鋼，可在提升梁結(jié)構(gòu)荷載能力的同時，節(jié)約建筑用材，控制工程造價。

2.3 基于工程造價控制的原材料優(yōu)化選型

1） 鋼筋材料優(yōu)化選型，受到成本控制、建筑節(jié)能等觀念的影響，鋼筋砼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中HRB500/400 型號的鋼材料逐漸普及，可提供更高的鋼筋、混凝土粘合性能，提高鋼筋的抗拉強度，并起到節(jié)約建筑成本的作用。以型號為HRB500 和HRB400 的鋼筋材料為例，在強度方面，前者要優(yōu)于后者15%左右，但其配筋率有所降低，成本相對提高近10%。而對比型號HRB335 的鋼筋材料，其強度提升了45%，配筋率降低0.1%，工程造價提升8%左右?？偨Y(jié)來說，更優(yōu)質(zhì)的鋼筋材料具備更低的配筋率，雖然帶來的成本更高，但其強度及性能提升顯著。因此有以下結(jié)論：若建筑結(jié)構(gòu)要求鋼筋截面在8～18mm，優(yōu)選HRB400 鋼筋；若鋼筋截面在20mm 以上，優(yōu)選HRB500 鋼筋。

2） 混凝土材料優(yōu)化選型，混凝土材料的選擇需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)、抗震性能、工程造價等多個方面的要求，對于不同強度的混凝土材料，其市場價存在明顯的差別。例如，型號為C30、C35 的混凝土強度逐漸提升，對應(yīng)的單價也隨之提高，強度每上升一個等級，單位成本上升1/10 左右。在混凝土材料選型時，其強度的選擇還要結(jié)合混凝土的應(yīng)用位置。例如，柱、墻等結(jié)構(gòu)屬于建筑結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件，可通過提高混凝土強度的方式來降低柱截面的大小，保證其能夠充分滿足結(jié)構(gòu)強度及抗剪需求，減少材料投入。而對于梁結(jié)構(gòu)來說，混凝土的強度對其荷載能力及配筋并不存在明顯的影響，反而選用高強度的混凝土?xí)岣吡航Y(jié)構(gòu)開裂的概率，因此在設(shè)計梁結(jié)構(gòu)時可適當(dāng)降低混凝土的強度。一般要求梁結(jié)構(gòu)的混凝土強度控制在C30～C35?；炷翉姸葘τ诎褰Y(jié)構(gòu)來說同樣不產(chǎn)生較大的荷載能力影響，若選用強度過高的混凝土材料，板結(jié)構(gòu)的配筋率及開裂概率均會提升，因此一般選用型號為C30 和C35 的混凝土進(jìn)行板的澆筑。

3 結(jié)語

隨著建筑市場競爭壓力的不斷提升以及行業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求的提高，鋼筋砼建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有必要融入工程造價控制的理念。綜合考量結(jié)構(gòu)性能及成本之間的關(guān)系，確保各項建筑資源得到最合理、充分的利用。控制建筑成本，為企業(yè)帶來更高的建設(shè)收益。