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摘要：結(jié)構(gòu)的造價在建筑工程中占比例較大，在高層建筑不斷涌現(xiàn)的今天，如何控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，降低成本，不僅是評判建筑作品設(shè)計(jì)作品優(yōu)劣的重要尺度，也是能否促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。...

淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性控制

辛永濤  龔昱心

（陜西省建筑科學(xué)研究院 710082 西安）

    建筑設(shè)計(jì)必須遵從“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則。人們一談起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往會產(chǎn)生第一反應(yīng)：“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全”，可見“安全”在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是處于何等重要地位。需要明確的是，保證結(jié)構(gòu)安全確實(shí)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，但并非是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的唯一任務(wù)。必須強(qiáng)調(diào)的是，保證結(jié)構(gòu)安全是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最基本、最起碼的要求，隨著中國市場經(jīng)濟(jì)的深入，對于一項(xiàng)工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，除“保證安全”這一最低要求外，還有其他許多內(nèi)涵豐富的要求，如建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性同樣放到了至關(guān)重要的位置。

    為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到盡善盡美，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全面要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化途徑的核心內(nèi)容通常包括三方面：體系選型與結(jié)構(gòu)布置要合理、結(jié)構(gòu)計(jì)算與內(nèi)力分析要正確、細(xì)部設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施要周密，三方面的工作互相呼應(yīng)，缺一不行。

    從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段性出發(fā)經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)可分為兩個主要階段：方案階段和施工圖階段，必須指出的是方案階段的優(yōu)化才是建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的重要保障，不能本末倒置，舍本逐末。

    一、方案設(shè)計(jì)階段的可控因素和非可控因素的管理

    建筑師構(gòu)思出的建筑平面立面雛形首先必須控制好整體建筑的長寬比和高寬比，結(jié)構(gòu)工程師介入其中需要解決的問題是：根據(jù)建筑使用功能、平面尺寸、總高度以及抗風(fēng)抗震要求，確定合適的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)類型、合理的柱網(wǎng)尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的合適位置和大約數(shù)量、恰當(dāng)?shù)膶痈咭约敖ㄖ�平面是否要設(shè)縫分成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。在建筑功能較復(fù)雜、設(shè)防烈度高的高層或超高層建筑方案設(shè)計(jì)中更顯突出。

    對于需要考慮經(jīng)濟(jì)性的建筑結(jié)構(gòu)：方案階段需要避免體形過于復(fù)雜，如細(xì)腰型和蝶形建筑，高寬比控制在規(guī)范要求的范圍，并且宜控制在3~4左右;需要特別指出的是，60米和80米是結(jié)構(gòu)高度兩個重要的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閷τ诟邔咏ㄖ�結(jié)構(gòu)的抗震等級而言，60米和80米是明顯的區(qū)分高度，抗震等級的提高對于結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性影響是非常可觀的，如剪力墻的抗震等級為四級時，截面設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求叫其他抗震等級降低不少。經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的要求需要避免建筑方案設(shè)置轉(zhuǎn)換層，此外建筑層高也需要得到限制，同時避免設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，因?yàn)檗D(zhuǎn)角窗的設(shè)置使得結(jié)構(gòu)不能布置聯(lián)肢墻從而影響結(jié)構(gòu)抗扭剛度的傳遞，而角部是最有效的。

    方案階段的結(jié)構(gòu)布置本質(zhì)是力流的傳遞，使得構(gòu)件支承和傳力關(guān)系可行合理；一般對于豎向構(gòu)件墻柱而言，經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該是使得其配筋以構(gòu)造為主（高烈度地震作用特別強(qiáng)烈的除外），對于梁而言，梁——鋼筋直徑d≥12的宜采用HRB400級鋼筋，除了大跨度梁及轉(zhuǎn)換梁外，一般梁宜控制d≤25；經(jīng)濟(jì)的配筋率應(yīng)該控制：底筋ρ≤1.0%，支座負(fù)筋ρ≤1.5%；對于現(xiàn)行設(shè)計(jì)中不考慮參與地震計(jì)算的樓板而言，一般只考慮豎向荷載，同樣應(yīng)該是以大部分樓板接近構(gòu)造配筋為主，不應(yīng)過大。

    二、施工圖階段采用精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求

    首先荷載的取值要嚴(yán)格控制，不宜過大，荷載的層層加碼會導(dǎo)致地震作用的放大，重力荷載的加大還會大大影響基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，影響布樁的數(shù)量。

    其次高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)就是在保證安全、符合規(guī)范的前提下，使用盡量少的結(jié)構(gòu)材料（鋼筋、混凝土）。

    高層建筑結(jié)構(gòu)由豎向構(gòu)件——剪力墻，框架柱等；水平構(gòu)件——梁、板等；細(xì)部大樣——飄板、飄窗建筑線條和女兒墻等組成，因而需要對構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    剪力墻：1、避免采用短肢剪力墻；2、墻厚的選擇一般可以選擇180mm（規(guī)范規(guī)定最小厚度為200mm的除外），墻長取為8倍的墻厚，鋼筋優(yōu)選HRB400級；3、截面宜采用L形、T形截面4、墻肢主要包括邊緣構(gòu)件和墻身。墻身通常為最小配筋率控制，配筋率為0.5%（豎向+水平），邊緣構(gòu)件一般也宜為規(guī)范構(gòu)造控制，綜合配筋率一般為1.0%～1.5%。其中邊緣構(gòu)件鋼筋含量占70%左右。因此，墻肢的設(shè)計(jì)中邊緣構(gòu)件是關(guān)鍵。

    框架柱：1、混凝土強(qiáng)度等級對于柱子的截面和配筋影響很大，等級宜取高，上限宜小于C60；2、取用合適的截面使得大部分柱子的配筋處于構(gòu)造配筋；3、當(dāng)某個柱子編號代表很多柱時，此柱子配筋應(yīng)該嚴(yán)格控制。

    梁：1、截面的優(yōu)化，根據(jù)簡化計(jì)算公式As=M/ γ0fy h0，可見梁的配筋與截面的高度和鋼筋強(qiáng)度等級關(guān)系密切，現(xiàn)階段鋼筋強(qiáng)度等級宜取為HRB400級，合適的梁截面高度應(yīng)該使得配筋率在經(jīng)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)配筋率附近，即底筋在1%～1.2%，頂筋1.2%～1.5%之間；2、注意權(quán)衡梁必須配置腰筋的臨界高度h0。

    板：1、原則上樓板鋼筋采用HRB400級，混凝土規(guī)范8.5.1條注2：板類受彎構(gòu)件（不包括懸臂板）的受拉鋼筋，當(dāng)采用強(qiáng)度等級400Mpa、500Mpa的鋼筋時，其最小配筋百分率應(yīng)允許采用0.15和45 ft/ fy中的較大值；2、超長結(jié)構(gòu)樓板頂面鋼筋可拉通一半，間距可放寬至@200—@300；3、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)鋼筋可采用C10@170，不足的地方另外附加鋼筋；4、地下室底板可采用較小直徑的鋼筋，間距可最小至@50，梁板式底板底筋宜拉通一半，另一半采用短鋼筋，長度一般可取為相鄰跨短邊較大凈跨的1/5，理論計(jì)算一般可包絡(luò)住彎矩。

    另外，除上述上部結(jié)構(gòu)的施工圖精細(xì)化設(shè)計(jì)外，還必須根據(jù)上部結(jié)構(gòu)型式及場地工程地質(zhì)水文條件選擇合適合理的基礎(chǔ)型式；如建筑物設(shè)置地下室，則必須根據(jù)場地周圍環(huán)境、基坑深度、地下水水位高低及水量多寡等條件初步確定切實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)合理的基坑開挖邊坡支護(hù)及隔水、降水方案。

    總之，結(jié)構(gòu)的造價在建筑工程中占比例較大，重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性理念，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)建筑作品的最大經(jīng)濟(jì)價值，不僅是評判建筑設(shè)計(jì)作品優(yōu)劣的重要尺度，也是能否促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前在我國的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，部分設(shè)計(jì)人員因忙于應(yīng)付大量的具體工作，往往不夠重視結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性問題，造成不必要的浪費(fèi)。因此，作為一名設(shè)計(jì)人員，我們必須嚴(yán)守“經(jīng)濟(jì)、適用、合理”的原則，精心設(shè)計(jì)，力求在達(dá)到建筑設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，盡可能地利用有限的資源獲得最大的效益，實(shí)現(xiàn)降低工程造價，取得最佳經(jīng)濟(jì)效果的目的。

 (本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會    文徑網(wǎng)絡(luò)：雷丹 尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)

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