建筑結構設計中節約用鋼量的方法探討

蚌埠市建筑設計研究院，安徽 蚌埠 233000

鋼筋混凝土結構需要用到鋼，單位面積的用鋼量大小能夠體現設計人員的技術水平，同時也是投資者比較關注的指標。設計用鋼量較少很可能導致建筑的強度不夠，用鋼量較多則會導致成本過高，無投資者進行投資。同時，投資者在簽訂委托設計合同時一般都會給出一定的限鋼量要求即“鋼量限額”，當然建筑的設計安全是第一位的，而且用鋼量很大程度上與建筑的本身有很大的關系，只有設計人員利用自己的專業知識來合理調整建筑的布局，才能達到減少用鋼量的目的。

文章主要從兩個方面分析如何減少建筑結構的用鋼量。從宏觀角度分析，建筑設計人員在構思設想建筑設計方案時，既要滿足投資方對建筑的各類功能、造型以及用鋼量的要求，又要利用合理的結構來達到減少用鋼量的目的。從微觀角度分析，主要是從建筑的內部結構進行考量，判斷建筑的結構布置、內部構件強度以及鋼筋強度是否符合科學的要求，即從力學等物理角度分析建筑的用鋼量。

1 宏觀角度下的用鋼量控制

隨著人們對建筑功能和審美的要求越來越高，建筑中立面的布局也多種多樣，多樣的結構也必然會有與之對應的補強措施，即擁有復雜多變的結構后很可能有很多地方的強度要求達不到，需要另外增加一些措施才能夠使建筑的各要求達標，當然復雜的建筑結構肯定會有相應的“代價”，其“代價”很可能是增加用鋼量，使成本有所提高。因此，設計人員不能盲目地減少用鋼量，還要注意建筑設計的安全性，必須在相對薄弱的結構部位采取補強措施。即使建筑的不規則性會帶來一些“代價”，但這些都是必需的，否則其后果更是難以想象。

1.1 建筑整體結構

目前所有建筑的體型分類有以下五種情況：

（1）從建筑的平面上來看，平面越平整越規則，則用鋼量越少；在同一層上面積相同或相近的情況下，建筑外墻長度越大，用鋼量就會越大。建筑平面的形狀很大程度上可以決定用鋼量和建筑結構抵抗各種自然災害的強度。

（2）從建筑的垂直方向上來看，建筑的設計對不同的樓層會有不同的強度和剛度要求，當然這與建筑用鋼量的多少有一定的關系，因為樓層越高會存在樓層面積逐漸縮小的內收現象，其剛度要求會因此有所降低，則其用鋼量也會因此降低，反之則用鋼量會增加。

（3）從建筑的抗側力構件的位置關系上來看，如果建筑的剛度中心同其質量中心比較重合或靠近，抗側力構件所設置的位置能夠產生的抗扭剛度較大，建筑結構的抗扭效應越小，則建筑整體的用鋼量會有所減少；反之，用鋼量有所增加。對于建筑部分墻體設計不合理的情況，即建筑的形體中心和整體的質量中心差別太大，這導致建筑的框架結構的扭轉力度較大，進而導致用鋼量有所增加，這類問題只能通過改進建筑結構布置的方式來解決。

（4）從建筑的結構設計上來看，如果存在必要情況下要求豎向構件有一定的轉換、樓層設計錯誤等情況，會使建筑的受力情況非常復雜，同時要求的用鋼量也會隨之增加不少。

（5）從建筑的各種尺寸上來看，無論是建筑的豎直方向的尺寸及比例，還是平面的長度及長寬比、整體樓層的高度等，都會對修建時的用鋼量有一定的影響，這類問題需要設計人員在滿足建筑要求的前提下進行改進。

1.2 建筑具體結構

建筑的結構包括很多種類，下面主要從建筑的柱網、梁板、柱子、屋梁、樓板以及建筑的建造地的地質情況方面分析如何減少用鋼量。

（1）建筑柱網尺寸和形狀可決定用鋼量。為了使建筑能夠有比較均勻的受力情況，一般會每3～6m設置1根柱子，如果想要減少用鋼量，可以增加每根柱子之間的距離，但為了滿足剛性要求，要求建筑梁和柱子的截面積有所增大。同理，若需要增加柱子的數量，可以減少柱子間距，每根柱子的承載力降低，用鋼量也會隨之減少，但如何把控整體總量最少是設計人員需要重點考慮的問題。柱網的疏密程度會影響建筑的用鋼量，分布均勻的柱子會比分布雜亂的柱子用鋼量少。如果柱網的有關分布尺寸已有所要求，那么還需要考慮墻柱的尺寸，墻柱的鋼筋配置及混凝土的設計都應符合要求，此時可以通過控制墻柱的截面大小來控制用鋼量。如果遇到柱網分布不均勻的情況，不要盲目地加粗部分柱子，更不能為了美觀而加粗所有的柱子，這樣會增大用鋼量。對于受力比較大的柱子，可以采取夾芯柱的方式來降低用鋼量，這樣即使是用最少的鋼筋也能達到目的。

（2）建筑的水平構件梁板布置需要遵守以下原則：①因為梁板的作用主要是傳遞受力，所以其布置需要簡單清楚，只要能夠把樓面和墻體荷載傳到框架梁，再由框架梁傳到柱子上即可，如果柱子間的距離太大，則還需要設置一些主梁。若每層房間的分布非常復雜或者板塊的距離跨度較大，可以增加次梁，通過次梁將荷載傳遞給主梁。②必要時可設置次梁，但其數量不宜太多。在建筑結構分布是橫豎方向且尺寸差不多的情況下，采用雙向“井”字次梁的結構即可；在建筑結構分布為橫豎方向但尺寸差距較大的情況下，就需要設置主次屋梁。需注意的是，如果建筑里設置了過多的次梁，會使次梁的排布非常緊密，從而增加樓板的厚度，導致建筑的自重增加，同時還會增加鋼筋的使用量。③結合建筑的受力情況和其他因素來確定比較恰當的梁柱截面形狀，通常情況下其截面形狀為矩形，具體的長寬也有一定的數據參考及限制，同時還需要考慮樓板的厚度。

（3）選擇柱子的前提是需要承受合理的結構受力，內部鋼筋還要滿足最小配筋率以及柱子單偏壓驗算雙偏壓復核的要求。可以通過提高鋼筋的強度及選擇螺旋形封閉的箍筋來減少鋼筋使用量，但該方法僅適用于受力非常大的柱子。如果遇到建筑中沒有中柱導致建筑受到偏心力的情況，則其柱子的主筋要采用內力結構來控制，可以采用形狀合適的柱子或增加柱子截面積的方式，這樣就能有效地減少鋼筋的使用量。

（4）屋梁的設計需要在滿足基本受力的情況下恰當地增加樓層高度，這樣會使梁中的混凝土承受相對較多的內力，同時其中的鋼筋受力會有所減少，因此能夠減少鋼筋的使用量。但在樓層高度固定的情況下，通過調整屋梁的寬度可以讓鋼筋的排布情況達到標準要求。同時，可以通過在屋梁的跨中和支座的部分位置添加短鋼筋來減少鋼筋的使用量。

（5）樓板的設計一般按正常要求設計即可，只是在需要一些特殊的板面時需采取貫通筋的配置方式，其樓板的配筋率不能低于配筋率要求的下限，同樣也可以通過在局部增加支座短筋來達到相關設計要求。

（6）建筑的建造地基的地質情況也會影響鋼筋的使用量。如果建筑建造地的地質本身的承載能力比較高，則不需要太多的鋼筋混凝土來進行地基的加固；若建筑地基的荷載能力不強，則需要提前建設筏板基礎，在這種情況下同樣也需要盡可能減少鋼筋的使用量，可以利用地下室框架結構即只有鋼筋混凝土的鋼架結構進行支撐，同時如果建筑樓層太高等導致建筑自重過重，可以采用打樁的方式將建筑的部分重量轉移到其他承載力較高的土層上。其中，可利用柱下大承臺來減少鋼筋的使用量。

2 微觀角度下的用鋼量控制

從微觀角度觀察建筑結構，其主要體現在設計人員對建筑結構設計的具體操作上，包括構件的配筋構造。對于構件的構造而言，一般都是有明確的設計要求規定的，在滿足規定的情況下，仍可以通過一些方法來減少鋼筋的使用量，一般可采用增加鋼筋強度的方式，通常使用的高強度鋼筋是HRB335級、HRB400級，還可以使用級別更高的HRB500級。同時，大量的構件同樣會花費一筆較大的資金，同樣需要注意這些構件的合理構造，否則很有可能增加用鋼量。另外，還需注意其構件的材料選擇，盡可能減少用于裝飾等的非結構構件的重量。

3 結論

綜上所述，可以在滿足建筑的各類要求的條件下通過采取一定的措施來減少鋼筋的使用量。從宏觀和微觀的角度分析可發現許多因素都會影響建筑建設過程中的鋼筋使用量，要在能夠滿足建筑的安全和一些特定要求的基礎上減少用鋼量。建筑的鋼筋用量與初期的地基選擇、整體結構的設計、柱網的分布、梁板的尺寸選擇等有密切關系，為得到減少用鋼量的最優方案，需要考慮多方面因素，并利用專業知識及經驗，在滿足建筑的各方面要求的前提下盡可能減少鋼筋的使用量。