建筑结构限额设计优化建议

王 川，郭 锋

(北京市建筑工程设计有限责任公司，北京 100032)

0 引 言

近年来，我国十分重视资源节约型、环境友好型社会的建设，节约发展、清洁发展、安全发展的政策在各个行业纷纷落地，房地产行业作为高资源利用行业，更应该切实落实相关政策，通过优化设计，减少资源浪费，到达节约资源、节能减排的目的。

同时，随着各城市地产市场竞争日趋激烈，地产商拿地成本与日俱增，而房产售价又受到各种政策的限制，融资难度日趋严峻，房地产开发商为了满足政策要求及更加有效地控制项目成本避免亏损，均对设计单位提出了限额设计要求，因此，作为一名结构工程师，对限额优化设计进行研究具有迫切的现实意义。

本文通过对近些年所做工程进行回顾、梳理、总结，在限额设计方面，从结构方案制定、荷载选取、电算参数设置、构件计算及施工图绘制细节等几方面，在保证结构安全合理的前提下，给出了一些具体的设计优化建议。

1 限额设计优化具体建议

1.1 方案阶段优化

1.1.1 地库柱网方案的优化

近些年来，城市中各个新建小区，为了保证绿化率、停车位配比，配建人防面积以及地上人车分流提高建筑品质的需要，均建造与主楼连为一体的大型地下车库，通常为地下一层或两层，因此如何对地库的柱网进行合理的布置，已成为设计师最为关心的，与限额设计指标息息相关的重要内容。

地下车库常用标准柱网尺寸有8.1 m×8.1 m(图1)、8.1 m×(4.8 m+6.5 m)(图2)，5.4 m×(4.8 m+6.5 m)(图3)，因在相同荷载的情况下，配筋量是与柱网跨度成正比的，柱网越大，配筋量越大，不同的柱网方案，直接影响地库结构限额指标。

图1 8.1 m×8.1 m 大柱网布置

图2 8.1 m×(4.8 m+6.5 m) 大小柱网布置

图3 5.4 m×(4.8 m+6.5 m)小柱网布置

从建筑视觉感受上考虑：

大柱网，柱截面大，柱子数量少，视野较开阔。

小柱网，柱截面小，柱子数量多，视觉上较密集。

从停车舒适性方面考虑，不同的柱网形式，柱子与车位端线的关系不同，对车辆的转弯半径有一定影响，大柱网的舒适性最好，小柱网的舒适性一般。

因此，在建筑布局及舒适性允许的情况下，从结构限额优化设计角度出发，应尽量采用小柱网布局。

1.1.2 地库楼盖结构方案优化

据统计，地下车库造价约占整个项目造价的10%～20%[1]，因此地下车库如何选择合理的楼盖结构形式，实现降低工程造价的目的，已成为了此类工程设计过程中的重要内容。

地下车库楼盖常用的结构形式有梁板结构及无梁楼盖两种，结合工程实例，对同一项目(共有两层地下室)无梁楼盖结构及梁板结构(主梁+大板)的综合经济性进行对比分析，最后确定出在相同设计条件下，何种结构形式更加经济。主要设计参数：抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g；设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震等级为三级；梁板式采用PKPM建模计算，无梁楼盖采用PKPM-SLABCAD模块进行计算，采用理正工具箱无梁楼盖等代框架模块进行手算复核。

通过计算对比，无梁楼盖结构方案因跨中板带可进行较灵活的设备管线布置，因此具有较好的层高优势，每层地库可降低结构高度300 mm。为了更好地对两个结构的综合经济性进行比较，通过查阅文献[2]，层高每减少100 mm，地下室综合成本可节约30元/m2。

不考虑层高对地下室造价影响，两种方案材料用量基本一致，但无梁楼盖方案模板搭设简便，钢筋加工及绑扎方便，还可大幅提高施工效率，缩短工期，节省时间成本。

考虑层高对地下室造价影响时，无梁楼盖结构方案每层地库可减少开挖深度0.3 m，经济性优势更加突显，详见表1。

表1 两种楼盖结构形式成本对比

两种方式的总成本差额为987.5-845.3=142.2元/m2。因此，地下车库楼盖形式应尽量采用无梁楼盖结构形式。

1.1.3 剪力墙结构方案优化

高层剪力墙结构方案，常用的有多剪力墙方案和少剪力墙方案，具体如图4所示，各自优缺点如下：

多剪力墙方案：少二次砌筑，省人工，避免填充墙体与结构墙体交界面开裂，混凝土用量多。

少剪力墙方案：混凝土用量少，二次砌筑费用及人工费用高。

不同的甲方会根据项目的具体情况选择不同的方案，须在方案前期进行充分沟通，设计上建议采用少剪力墙方案，因为其在限额设计方面有明显造价优势。

图4 多剪力墙方案与少剪力墙方案对比

1.1.4 抗浮方案的优化

抗浮设计优选自重抗浮，自重不能满足要求时，可通过采用无梁楼盖形式，压缩地库整体埋深，通过减少水浮力的方式进行抗浮，也可通过采用上反柱帽的基础形式，通过回填配重混凝土达到抗浮要求。

对于由于抗浮水位较高，自重抗浮及回填配重混凝土不能达到抗浮要求时，需要采用抗拔桩或者抗拔锚杆进行抗浮，结合工程实例，对抗拔桩及抗浮锚杆的经济性进行比较，在北方平原地区，由于基底下没有坚硬的岩层或岩层较深，大部分为土体锚杆，因此锚杆较长，造价偏高[3]，因此在岩层较深需要采用土体锚杆的工程中，优选抗拔桩的抗浮方案。

对于抗拔桩抗浮方案，我们对大直径桩及小直径桩抗拔桩方案也进行了对比，由于抗拔桩设计中钢筋用量由裂缝控制，配筋量较大，通过对比，在提供相同的侧摩阻力的情况下，小直径桩方案混凝土用量较少[3]，因此，在进行抗拔桩设计时，优选小直径抗拔桩方案。

读书，能提升我们的视野和格局。当站在二楼观景时，我们看到的也许是街角的某处垃圾场，而在二十二楼时，你会将满城的风景，尽收眼底。那些年走过的路，遇到的人，读过的书，就是我们的格局和视野。这些决定了我们看问题的层次和对事物的判断。人生阅历越是丰厚，就越是需要通过读书去消化内心的褶皱和疤痕，和优秀的书籍对话，精神自然就往来于天地之间，曲曲折折、隐隐约约、层层叠叠的心境，也渐渐变得柳暗花明，人，就不至于走到山穷水尽的地步。

由于抗浮方案的造价受当地是否有相关施工企业及混凝土、钢筋等材料价格的影响，且抗浮方案受当地土层结构、抗浮水位高低、当地经验等多种因素影响，因此抗浮方案须严谨客观地按照每个工程的实际情况分析选取，不可盲目照搬套用。

1.1.5 筏板基础方案的优化

地下车库及带地下室的框架结构，上部结构荷载主要由独立柱基传递给地基，地基反力集中在独立柱基范围内，受力明确，独立柱基不需要设置上部钢筋，抗水板内力小，配筋少，因此在地基承载力较好的情况下，应优先选用独立柱基加抗水板方案，如图5所示。

图5 独立柱基加抗水板示意图

1.2 计算阶段优化

1.2.1 荷载优化

一般结构工程师都会严格按照建筑用途，依据荷载规范进行相关荷载的选取，但有些方面，前期设计时，甲方无法确定具体方案，例如：车库顶板园林方案，消防车道位置。类似问题应尽早明确，保证荷载取值合理，车库顶板覆土深度超过2 m，常用板跨的消防车活荷载按覆土厚度的折减系数要严格按照荷载规范附录B进行折减，消防车荷载只在车道范围内布置，严格禁止满布，设计基础时可不考虑消防车荷载。[4]

1.2.2 电算参数优化

(1) 基础计算，需考虑上部刚度对基础的影响，基础网格划分要合理，避免局部因网格划分不合理导致的个别单元配筋偏大。基床系数不是越大越好，需要根据土层合理考虑。对基础底部与土接触一侧钢筋的混凝土保护层厚度，大部分工程师根据混凝土规范取40 mm，实际在有建筑防水做法时混凝土保护层厚度不小于25 mm，且不小于钢筋直径即可[5]。

(2) 电算活荷载信息定义中，对于柱、墙设计时的活荷载默认是不进行折减的，按照《建筑结构荷载规范》5.1.2-2及5.1.3，在设计墙、柱时，可根据建筑不同的层数，对活荷载进行折减，对消防车活荷载可按实际情况考虑，因此，计算时要点选墙，柱设计时活荷载折减。

(4) 对有翼缘的双肢墙，当翼缘的长度及厚度满足有效翼缘的要求时，在进行墙柱设计时，需要考虑端柱及翼缘共同作用进行配筋设计，考虑翼缘时，虽然截面增大，但由于同时考虑了翼缘部分的内力，即内力也相应增大了，配筋不一定减小，但是包络设计结果更为准确合理。

1.2.3 复核地基承载力计算的优化

许多高层建筑，因层数较多，承载力较大，天然地基的承载力达不到要求，需要采用复合地基，最常用的为CFG桩复合地基方案。在采用复合地基方案时，因《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)未提供复合地基的抗震承载力调整系数，因此地震荷载组合条件下，广大设计师均采取不调整的保守办法。

当没有设计依据，但需要考虑CFG桩复合地基抗震承载力提高时，可对桩间土发挥的地基承载力fsk进行抗震承载力调整，即CFG桩复合地基抗震承载力fspE可按下式进行计算：

此公式来源于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第5.2.4条、《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)第7.1.5-2条、《北京地区建筑地基基础勘察设计规范(2016年版)》(DBJ 11-501—2009)第7.3.7条及《建筑抗震规范》(GB 50011—2010)第4.2.3条中的四个公式的组合。

1.2.4 挡土墙计算的优化

在进行挡土墙配筋计算时，对于静止土压力系数的选取一般按照经验取0.5，但是当地下室施工采用护坡桩、地连墙加支撑、水泥土墙及土钉墙等基坑支护措施的时候，地下室外墙压力计算中可以考虑基坑支护与地下室外墙的共同作用，再乘以折减系数0.66，即：0.50×0.66=0.33.

1.3 施工图阶段优化

1.3.1 基础配筋优化

筏板基础可按最小配筋率0.15%配置双排双向钢筋，其他钢筋按附加钢筋配置。

柱下独立基础和墙下条形基础的宽度大于或等于2.5 m时，底板受力钢筋的长度可取边长或者宽度的0.9倍，并宜交错布置[6]。

1.3.2 地库柱配筋优化

地下车库大部分柱配筋均为构造配筋，只有个别柱的配筋由计算确定，个别设计师采用包络设计，全部柱配筋均采用计算配筋，此种做法浪费较多，建议对于个别计算配筋的柱子，单独编号进行独立配筋。

1.3.3 地下车库外墙配筋优化

地下车库外墙弯矩最大位置为与基础交接处，很多工程师进行墙体纵筋配筋时，墙体纵筋均按最大弯矩计算得出，浪费较多，建议墙体纵筋按非支座计算数值配置，在支座处附加钢筋用于满足支座处较大负弯矩要求，具体做法如图6所示。

图6 墙体附加筋示意图

有些设计师在做外墙计算时，裂缝限值按0.2 mm考虑，导致配筋由裂缝计算控制，较浪费，当地下室外墙外侧设有建筑防水层时，外墙最大裂缝宽度的限值可取0.4 mm[5]。

2 优化设计时的注意事项

2.1 设计前期须与甲方深度沟通

不同的结构布置方案，对结构限额指标的影响是决定性的，有些结构方案的制定，又与甲方的前期方案及设想息息相关。例如，车库顶板园林方案，是采用低矮灌木，还是需要种植高大数目；地下室防水方案制定，是内防水，还是外防水；剪力墙，是采用多墙方案，还是采用少墙方案。类似影响结构方案及结构限额指标的问题应与甲方充分沟通，尽早明确，避免后期因方案修改导致相关限额指标增大。

2.2 关注新技术发展

伴随着建筑行业的不断发展，先进技术的广泛应用和高效融合已是大势所趋[7]，作为合格的结构工程师，要不断地接触新技术，做到思想不落伍，也要勇于将新技术用于实际工程中，进一步提升设计工作的质量和效率，用新的技术或者新的体系来解决也写固有的很难解决的问题，往往会收到比较好的效果。

2.3 优化的前提是安全合理

作为一个建筑，最基本的属性是安全，作为一个结构工程师，一切优化的前提与底线也是安全，任何的优化都不能突破这个底线，不能用牺牲安全性来换取限额指标的降低，不能用牺牲安全性来换取高额的利润，经济性是对一个安全合理建筑的锦上添花，而完全为了经济性而牺牲建筑的安全性是本末倒置，因小失大。

3 结 语

本文通过对近些年所做工程中关于限额设计内容的总结，给出了地库柱网方案选取及配筋的优化方法，地库楼盖结构设计优化方法，剪力墙结构设计优化方法，抗浮设计的优化方法，筏板基础设计及复核地基计算的优化方法，结构荷载取值的优化方法，电算参数选取及优化方法，地下室挡土墙计算及配筋的优化方法，同时，给出了在优化设计时的一些注意事项。

伴随着我国资源节约型、社会友好型社会建设工作的稳步推进，建筑结构限额设计工作在全社会的节能减排大潮中，一定会发挥越来越重要的作用，通过合理的结构限额优化设计，达到提升结构方案合理性，有效节约建筑材料，降低建设成本的目的[8]，更好地推动我国建筑行业可持续地、健康地发展。