结构设计中经济性探讨

李瑞森

摘要：本文从结构方案的选型，计算参数的选用，建筑材料选用及结构构件断面的确定，基础方案选取，桩型选取以及综合使用成本几个方面探讨结构设计的经济性。

关键词：结构设计 经济性 造价 结构方案

中图分类号：TU2文献标识码： A

据统计一个项目的投资金额约85%是由设计阶段决定的，而结构成本占很大比重。如何做到结构的安全性与经济性是每个结构工程师必须考虑的问题。本文从以下几点探讨工程实践中的一点见解。

一、结构方案的选取及计算参数的选用

建筑方案的确定，结构成本确定了60%~70%，另外结构方案的优化和结构精细化设计占30~40%。首先谈谈建筑的规则性，对于抗震地区的建筑而言，抗侧力构件布置是否合理，竖向抗侧力构件是否连续对建筑的受力合理性及建筑的经济性影响是巨大的。平面或者竖向不规则的建筑会导致结构构件传力途径复杂，结构刚度不对称，造成结构构件的尺寸及配筋过大。且传力途径复杂造成结构构件过多，影响经济性，这与规范重在提高建筑材料强度，而不是增加构件的数量的宗旨矛盾的。不规则建筑不但会增加造价，而且在地震力作用下产生扭转效应降低建筑物的安全储备。《高规》3.4及《抗规》3.4.3条对建筑物的规则性做了明确要求。

结构形式选取及结构布置方案的布置也是一个重要方面。《抗规》6.1.1条及《高规》3.3对各种结构形式对应的建筑物最大高度以及抗震等级有了具体规定。设计过程中应结合本地区的抗震设防烈度，地质条件选用合适的结构形式。包括建筑方案制定的过程中，在容积率一定的情况下，单体的层数，建筑的长宽高的确定进行最优化的布置。在结构抗侧力构件布置时，刚度尽量均匀对称，减少建筑物的扭转效应；剪力墙结构中剪力墙应尽量布置在外围，内部当然也必须满足竖向承载力的要求，好钢要用在刀刃上。

异形柱框架结构造价的比普通框架结构要高，在柱布置过程中在一些不影响使用功能及美观的位置尽可能使用方柱，比如户内隔墙、门后、立面、公共部位空间。框架结构选用经济柱网合理经济的柱网，一般8~9m的柱网经济性较好。下面本文根据实际工程谈论一下次梁布置方式对造价的影响。本项目为物流仓库，设计活荷载5KN每平，按下图两种方案进行计算分析：

两种次梁布置方案比较可以看出方案一能够减小板跨，充分利用现浇板刚度，节约钢材和混凝土用量，并且增加建筑净高，利于设备管道布置。并且跟设备专业协调，方案一可以节约喷淋头数量节约造价。定结构方案时，可以多种方案比较找出最佳方案。

结构建模时计算参数的选取对结构设计的经济性影响也较大。计算参数的选取严格按照规范规定选用，无需人为放大。针对结构薄弱部位，设计人员通过概念设计采取加强措施。当柱截面刚度较大时，计算梁配筋时，梁柱重叠区域可以作为刚域；现浇结构可以按照T形梁计算，即可以减少梁的计算长度，增加梁受压区高度减少梁配筋。

二、建筑材料的选用及结构构件断面的确定

如今钢材市场中Ⅱ级螺纹钢与新Ⅲ级螺纹钢价格相差不多，但是强度提高了20%，显然采用高强钢筋有显著的经济效益。混凝土强度提高一级，单价提高5%~8%，对于柱墙等受压构件，提高混凝土强度可以减小截面面积，增加建筑实际使用面积。对于梁，板混凝土等级提高对配筋影响较小，一些受剪承载力为主的梁（如转换梁）除外，在满足规范以及受剪承载力的情况下可以采用低标号的混凝土，对于板来说低标高混凝土有助于减少板裂缝。

规范建议框架梁的断面高度取值为1/8~1/12。实际操作中随着高强钢材的使用，截面高度可以控制到1/12~1/18，这样增加建筑净高，减少建筑层高，有良好的经济效益。

三、基础方案的选取

结构的基础问题就是承载力与沉降的问题。采用天然地基施工速度快，造价低，工程设计中应充分利用地基土的工程地质条件，尽可能选用天然地基。对于面积不大及埋深较浅的软弱土层可挖除后回填或将基础加深，对于宽度不大的条形基础可采用基础地梁跨越。对于软弱粘性土下部为不含水砂层时可采用砂桩及排水固结法。

一般情况下，高层建筑应采用整体性好、能满足地基承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。工程地质条件是选择基础类型的重要依据，对于一般场地，当建筑物不太高，地基土层承载力较高、压缩性低，或基岩就在地表时，可选择天然地基梁式基础或筏形基础；若地基下仍有一定厚度（3~5 m）粘土层时，应首先考虑箱型基础或筏形基础加大埋深，再考虑桩箱、桩筏以硬土层为持力层；场地地震基本烈度大于等于7度，浅部又存在可液化土层时，应采用桩基穿透可液化层，支承在非可液化土层中；当地基土承载力不足、土层厚薄不均、存在较大的地基沉降或不均匀沉降时，应选择与桩基组合成联合基础。

四、桩型选取

减少桩的传力途径，布置桩时尽量靠近柱墙等竖向承载构件。对于独立桩承台，一般来讲3~5桩承台经济性较好，承台过大导致承台高度增加，承台配筋加大。桩筏基础中，桩尽量布置在墙下，传力途径短，减小筏板厚度及配筋，经济效益明显提高。框筒结构中，筒体下部桩可采用大直径长桩减少筒体与框架部分的沉降差，从而提供经济性。根据场地土的地质条件及柱底荷载情况所以合理选择桩型及桩长至关重要。

五、综合使用成本的考虑

有时因工期及施工场地，施工条件的限制，要根据实际情况制定结构方案。比如说采用大板结构虽然造价有所提升，但是减少模板及人工用量且缩短工期。地下室顶板采用无梁楼盖有利于设备管道的铺设增加净高方便施工。梁布置时要综合考虑对设备管道桥架以及喷淋和楼层净高要求，梁方向与管道方向平行可以合理利用板与梁之间的空间利于管道铺设。工业建筑设计中建议提高活荷载设计值增加储备，略微提高造价但是为将来改变建筑物的使用功能留下余地。另外还要综合考虑建筑物后期维护及使用成本这些综合因素来制定结构方案。

结构工程师应对工程造价及工程量计算有一定了解，对建筑的成本构成做到心中有数，好钢才能用到刀刃上。

参考文献

[1]GB5011-2010 建筑抗震设计设计规范中国建筑工业出版社，2010

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程中国建筑工业出版社，2010

[3]朱炳寅 建筑结构设计问答及分析 中国建筑工业出版社，2010