結構設計中經濟性探討

李瑞森

摘要：本文從結構方案的選型，計算參數的選用，建筑材料選用及結構構件斷面的確定，基礎方案選取，樁型選取以及綜合使用成本幾個方面探討結構設計的經濟性。

關鍵詞：結構設計 經濟性 造價 結構方案

中圖分類號：TU2文獻標識碼： A

據統計一個項目的投資金額約85%是由設計階段決定的，而結構成本占很大比重。如何做到結構的安全性與經濟性是每個結構工程師必須考慮的問題。本文從以下幾點探討工程實踐中的一點見解。

一、結構方案的選取及計算參數的選用

建筑方案的確定，結構成本確定了60%~70%，另外結構方案的優化和結構精細化設計占30~40%。首先談談建筑的規則性，對于抗震地區的建筑而言，抗側力構件布置是否合理，豎向抗側力構件是否連續對建筑的受力合理性及建筑的經濟性影響是巨大的。平面或者豎向不規則的建筑會導致結構構件傳力途徑復雜，結構剛度不對稱，造成結構構件的尺寸及配筋過大。且傳力途徑復雜造成結構構件過多，影響經濟性，這與規范重在提高建筑材料強度，而不是增加構件的數量的宗旨矛盾的。不規則建筑不但會增加造價，而且在地震力作用下產生扭轉效應降低建筑物的安全儲備?！陡咭帯?.4及《抗規》3.4.3條對建筑物的規則性做了明確要求。

結構形式選取及結構布置方案的布置也是一個重要方面?！犊挂帯?.1.1條及《高規》3.3對各種結構形式對應的建筑物最大高度以及抗震等級有了具體規定。設計過程中應結合本地區的抗震設防烈度，地質條件選用合適的結構形式。包括建筑方案制定的過程中，在容積率一定的情況下，單體的層數，建筑的長寬高的確定進行最優化的布置。在結構抗側力構件布置時，剛度盡量均勻對稱，減少建筑物的扭轉效應；剪力墻結構中剪力墻應盡量布置在外圍，內部當然也必須滿足豎向承載力的要求，好鋼要用在刀刃上。

異形柱框架結構造價的比普通框架結構要高，在柱布置過程中在一些不影響使用功能及美觀的位置盡可能使用方柱，比如戶內隔墻、門后、立面、公共部位空間?？蚣芙Y構選用經濟柱網合理經濟的柱網，一般8~9m的柱網經濟性較好。下面本文根據實際工程談論一下次梁布置方式對造價的影響。本項目為物流倉庫，設計活荷載5KN每平，按下圖兩種方案進行計算分析：

兩種次梁布置方案比較可以看出方案一能夠減小板跨，充分利用現澆板剛度，節約鋼材和混凝土用量，并且增加建筑凈高，利于設備管道布置。并且跟設備專業協調，方案一可以節約噴淋頭數量節約造價。定結構方案時，可以多種方案比較找出最佳方案。

結構建模時計算參數的選取對結構設計的經濟性影響也較大。計算參數的選取嚴格按照規范規定選用，無需人為放大。針對結構薄弱部位，設計人員通過概念設計采取加強措施。當柱截面剛度較大時，計算梁配筋時，梁柱重疊區域可以作為剛域；現澆結構可以按照T形梁計算，即可以減少梁的計算長度，增加梁受壓區高度減少梁配筋。

二、建筑材料的選用及結構構件斷面的確定

如今鋼材市場中Ⅱ級螺紋鋼與新Ⅲ級螺紋鋼價格相差不多，但是強度提高了20%，顯然采用高強鋼筋有顯著的經濟效益?；炷翉姸忍岣咭患?，單價提高5%~8%，對于柱墻等受壓構件，提高混凝土強度可以減小截面面積，增加建筑實際使用面積。對于梁，板混凝土等級提高對配筋影響較小，一些受剪承載力為主的梁（如轉換梁）除外，在滿足規范以及受剪承載力的情況下可以采用低標號的混凝土，對于板來說低標高混凝土有助于減少板裂縫。

規范建議框架梁的斷面高度取值為1/8~1/12。實際操作中隨著高強鋼材的使用，截面高度可以控制到1/12~1/18，這樣增加建筑凈高，減少建筑層高，有良好的經濟效益。

三、基礎方案的選取

結構的基礎問題就是承載力與沉降的問題。采用天然地基施工速度快，造價低，工程設計中應充分利用地基土的工程地質條件，盡可能選用天然地基。對于面積不大及埋深較淺的軟弱土層可挖除后回填或將基礎加深，對于寬度不大的條形基礎可采用基礎地梁跨越。對于軟弱粘性土下部為不含水砂層時可采用砂樁及排水固結法。

一般情況下，高層建筑應采用整體性好、能滿足地基承載力和建筑物容許變形要求并能調節不均勻沉降的基礎形式。工程地質條件是選擇基礎類型的重要依據，對于一般場地，當建筑物不太高，地基土層承載力較高、壓縮性低，或基巖就在地表時，可選擇天然地基梁式基礎或筏形基礎；若地基下仍有一定厚度（3~5 m）粘土層時，應首先考慮箱型基礎或筏形基礎加大埋深，再考慮樁箱、樁筏以硬土層為持力層；場地地震基本烈度大于等于7度，淺部又存在可液化土層時，應采用樁基穿透可液化層，支承在非可液化土層中；當地基土承載力不足、土層厚薄不均、存在較大的地基沉降或不均勻沉降時，應選擇與樁基組合成聯合基礎。

四、樁型選取

減少樁的傳力途徑，布置樁時盡量靠近柱墻等豎向承載構件。對于獨立樁承臺，一般來講3~5樁承臺經濟性較好，承臺過大導致承臺高度增加，承臺配筋加大。樁筏基礎中，樁盡量布置在墻下，傳力途徑短，減小筏板厚度及配筋，經濟效益明顯提高?？蛲步Y構中，筒體下部樁可采用大直徑長樁減少筒體與框架部分的沉降差，從而提供經濟性。根據場地土的地質條件及柱底荷載情況所以合理選擇樁型及樁長至關重要。

五、綜合使用成本的考慮

有時因工期及施工場地，施工條件的限制，要根據實際情況制定結構方案。比如說采用大板結構雖然造價有所提升，但是減少模板及人工用量且縮短工期。地下室頂板采用無梁樓蓋有利于設備管道的鋪設增加凈高方便施工。梁布置時要綜合考慮對設備管道橋架以及噴淋和樓層凈高要求，梁方向與管道方向平行可以合理利用板與梁之間的空間利于管道鋪設。工業建筑設計中建議提高活荷載設計值增加儲備，略微提高造價但是為將來改變建筑物的使用功能留下余地。另外還要綜合考慮建筑物后期維護及使用成本這些綜合因素來制定結構方案。

結構工程師應對工程造價及工程量計算有一定了解，對建筑的成本構成做到心中有數，好鋼才能用到刀刃上。

參考文獻

[1]GB5011-2010 建筑抗震設計設計規范中國建筑工業出版社，2010

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