建筑工程的经济性在结构设计中的应用

当前全球资源紧缺, 节约资源、减少浪费无疑成为每项工作的首要任务。在建筑设计中, 一个项目的成功, 首先要满足其建筑功能要求, 保证项目的安全性, 其次是项目本身要具有经济性。如果项目本身投资巨大, 却多年不能收回成本, 则该项目是个失败的投资。实践证明, 一个工程项目投资金额的85%是在设计阶段决定的, 由此可见, 设计阶段对项目投资起到决定性的作用。因结构设计的经济与否直接关系项目投资量的大小, 而影响结构设计经济性的关键因素在于结构方案的选型、结构设计的参数和设计制图的精确度等。

1 结构形式和适用范围

一般而言, 砖混结构比混凝土结构经济, 混凝土结构比钢结构经济。目前, 我国建筑主要是以混凝土结构形式为主, 而在混凝土结构中, 主要有简体结构、框筒结构、剪力墙结构、框剪结构、框架结构等形式, 每一种结构形式都有它的适用条件。如高度<60m的建筑不宜采用筒体结构, 而30层以上或100m以上的建筑才宜采用筒体结构;剪力墙结构适用墙体较多的高层建筑, 如住宅、公寓、饭店、医院病房等;由于建筑功能的需要, 加上住宅对室内效果的要求, 10层以上的小高层建筑结构形式可采用剪力墙结构或短肢剪力墙结构;框剪结构形式适用于高层住宅和需要大开间的办公建筑;框架结构形式主要用于10层以下的建筑, 现在已广泛应用于公共建筑、住宅等民用建筑中, 但是在抗震设防高烈度区内, 10层以上不宜采用纯框架结构;砖混结构可用于多层建筑和小开间的建筑, 但是由于砖混结构抗震性能较差, 其作为独立的结构形式, 对房屋的装修、改扩建均不利。因此, 目前经济较发达的地区基本上不采用这种结构形式。

2 建筑的规则性

这里的规则性是从结构意义上而言的。一个平面方方正正的规则的建筑, 如果其竖向抗侧力构件布置不连续或者侧向刚度不规则, 从结构意义上来判定, 它仍是一个不规则建筑。当一个几何平面并不规则的建筑, 如果竖向抗侧力构件连续、侧向刚度规则, 结构的性能不一定差。对于抗震地区的建筑而言, 抗侧力构件布置是否合理, 对于结构受力的合理性和建筑经济性影响巨大。平面不规则的建筑物对于墙柱的截面、配筋影响很大, 在地震力作用下, 会使结构变得不安全。不规则建筑不但使建筑不经济, 而且在地震作用下发生的扭转效应使得建筑物不安全, 为此, 国家《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002中的4.3节、4.4节分别从结构平面布置和结构竖向布置对结构的规则性作出了定性和定量的判定标准;《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中的3.4节专门对建筑设计和建筑结构的规则性作了明确的规定。在平面中不规则的主要类型有:平面过于狭长 (1/b>6) 、凹入太深 (凹入尺寸>30%) 、凸出太细 (1/b>2) 、开洞过大 (有效板宽<50%) , 竖向不规则的主要类型有:侧向刚度不规则 (本层刚度小于相邻上1层的70%或小于其上层相邻3层平均刚度值的80%, 除顶层外, 水平向尺寸大于相邻层的25%) , 竖向抗侧力构件不连续, 楼层承载力突变 (本层抗侧力刚度小于相邻上1层的80%, 注意不应<60%) 。对于高层建筑而言, 还要控制不规则平面产生的扭转效应, 为此, “高规”4.3.5条:结构扭转为主的第1自振周期T与平动的每一自振周期T1之比, A级高度建筑不应>0.9, B级高度及复杂高层建筑不应>0.85。我们通过相关统计数据比较得出结果为:不规则建筑不但使钢筋用量增大5%~15%, 而且结构的潜在安全性大大降低, 地震作用效应也相应增大。

调整建筑结构的规则性, 需要在确定结构方案的阶段, 运用概念设计的方法, 合理划分结构平面, 合理布置结构的抗侧力构件, 控制抗侧力构件的刚度, 力求刚心和质心的位置重合, 从而减小扭转效应。首先与建筑专业协调, 使抗震概念设计用于建筑方案中, 在适当的地方设置结构缝, 合理划分结构单元, 尽量使得结构单元平面规则, 没有过大的平面凸出或凹入。其次在抗侧力构件的布置过程中, 应遵循均匀、分散、对称和周边的原则, 不宜使结构的抗侧刚度在某个地方过于集中或者突变。当计算过程中位移比不能满足规范要求时, 多属于抗侧力构件分布不均匀引起的。控制地震作用下扭转效应的主要措施是提高结构的抗扭刚度, 尽可能把抗侧力结构构件布置在建筑物周边, 再次是加大结构周边抗侧力构件的刚度, 如加大柱墙截面和连梁的高度。构件距离质心越远, 其对建筑抗扭刚度的贡献越大。因此, 在建筑物外围多布置抗侧力构件或者提高其刚度, 可以在不增加抗侧力构件数量、不改变结构平面布局的前提下, 有效地提高结构的抗扭刚度, 改善结构的平面规则性, 增强结构抗震能力, 从而使结构的性能更加合理、经济和安全。

3 建筑材料选用

应尽量选用高强度的建筑材料, 如钢材宜优先选用三级钢。HPB235, HRB335和HRB400, 这3种钢材的价格比较接近, 但它们的抗拉强度值是210∶300∶360=1∶1.43∶1.7, 可见采用高强钢筋的性价比高。混凝土宜用C30以上标号的混凝土, 因为目前的施工工艺和技术已可使混凝土达到C80, 运用高强度混凝土可以减小结构截面和减轻结构自重。填充墙材料宜采用轻质墙体, 如水泥纤维板、纸面石膏板、加气混凝土等, 这些材料既可增加室内的使用面积, 也可以减轻结构自重, 减小地震作用, 进而减少结构主要受力构件的配筋量和混凝土用量。

4 正确选取结构计算参数是结构设计的前提

目前, 结构设计进入了电算化的时代, 在合理的结构选型和布置前提下, 只有正确地选取各项设计计算参数才能把结构设计做好。无论是国内PKPM、3D3S等系列软件, 还是国外的ETABS、SAP2000等系列软件, 设计的各类参数都必须是结构设计师人工选取和录入, 如地震分组、场地类别、抗震等级、地震烈度、地下室层数、是否计算双向地震、是否计算偶然偏心、是否双偏压配筋、箍筋间距、墙体分布筋间距、钢筋的强度值和混凝土的强度等级等, 每项参数都关系到建筑结构计算结果是否正确、配筋是否经济。多层建筑计入了双向地震, 可不考虑结构偶然偏心的影响;高层建筑在计算配筋时, 如果计入了双向地震后可不考虑偶然偏心的影响 (“高规”4.6.3条文注释以及“高规”3.3.3条文解释) 。当建筑场地类别为一类和四类时, 要分别注意对抗震等级进行相应的提高或减少。

5 基础工程投资

该投资约占工程总投资的20%~30%, 基础设计的重要性由此可见一斑, 基础设计的方案选取尤为重要。基础设计前, 应仔细阅读分析地质报告, 根据地质报告的建议, 合理地选择基础形式, 同时, 对于建议的基础形式要进行试算, 特别是软土地基, 可能会出现能满足基础承载力而不满足沉降要求的情况, 这时会同地勘单位进行地基处理, 从而选取合理的基础形式。即使选用桩基础, 也要进行不同形式桩的经济性比较, 找出合理的桩基形式。如某项目地勘建议可采用pH桩、预制小方桩和沉管灌注桩, 笔者通过性价比分析, 很快选出经济合理的桩型 (见表1) 。

上述工程可选沉管桩426、PHC管桩400;综合考虑推荐采用PHC管桩400, 因其性价比最高、质量最可靠, 该建议得到了业主的认可。又如某商业区有50多栋小商铺, 属软土地基, 地勘报告建议用筏形基础, 但经试算分析, 天然筏形基础沉降量达到300mm, 显然基础形式不合理, 后与地勘部门商定, 采用水泥搅拌桩进行加固, 采用柱下独立基础, 与原来地质报告建议的筏基相比, 节约了800万元的成本。

筏形基础的厚度往往是由柱或墙对筏板的冲切决定的, 因而柱下或墙下筏板是主要受冲切区域, 可以采用柱下或墙下筏板加抗冲切的钢筋或局部加厚筏板厚度的方法来减小整体筏板厚度。筏板的配筋往往是柱下或墙下达到最大值, 不必要以此值作为整个筏板配筋值, 可以取一个合理的值, 局部不够的柱下或墙下加局部2层筋, 才能做到筏板设计安全、经济、合理。

6 了解工程造价

结构工程师应对工程造价和工程量的计算有一定的了解, 才能使设计的图纸达到精细、准确, 才能取得工程的经济效果。例如:25mm直径钢筋的重量是3.86kg/m, 现在的市场价格约5.5元/kg, 如果1栋楼的架立筋可用直径18mm钢筋 (2.0kg/m) , 而设计上用了直径25mm钢筋, 按3万m长计, 则浪费掉钢材55.8t, 价值人民币30.69万元, 节材的重要性显而易见。

摘要：结构设计经济性的评价指标主要有每平方米用钢量以及每平方米混凝土用量。在结构设计中除了精确选择计算参数, 还应对对工程造价和工程量的计算有所了解, 才能取得工程的经济效果。

关键词：结构设计,建筑工程,经济性,造价