建筑结构设计成本优化研究 ——以XX高层钢筋混凝土建筑结构为例

谭宏宇

云南工程建设总承包公司

摘要：近年来来建筑行业在市场经济的不断完善中，得到飞速的发展，一跃成为当下国民经济的重要支柱产业。与此同时，建筑行业内部的竞争也是愈演愈烈，基于这种情况需要优化建筑结构设计的成本，加强成本控制，从而增强建筑企业的市场竞争力。基于此，本文就以建筑结构设计成本优化研究——以深圳高层钢筋混凝土建筑结构为例，进行深入的研究和探索。

关键词：建筑结构设计；成本优化；深圳高层钢筋混凝土建筑结构

建筑结构设计成本优化是建筑企业发展的一个关键要素。对时下的建筑企业而言，要想提升企业竞争力占据市场优势位置，实现企业经营的战略目标，除了不断的改善当前的施工技术之外，还需要加强企业施工过程中的成本控制，尤其是建筑结构设计的成本优化，才能实现建筑企业发展中经济效益的最大化，而且还能保障建筑结构的承载力的安全和稳定。

一、建筑结构设计采用成本优化的方案

（一）甄选优化设计方案和建筑施工材料

合理的设计方案是有效控制建筑施工成本的关键，也是整个工程造价有效控制的前提条件。高层钢筋混凝土建筑施工中需要进行多重选择，例如：层数和层高的选择、建筑楼层的长宽高的比例以及建筑平面凹凸的尺寸，都需要进行施工前的优化控制和合理设计。其次，要想保证施工安全，首先就要选择最佳的施工建筑材料，并且建筑工程最终施工所运用的材料一定要符合正规建筑施工材料标准。其次，在建筑材料的选择中为了选择性价比高而且质量优质的建筑材料，需要在材料选择的过程中进行多方面的筛选汇总，在综合对比之后选择性能高、经济性强、安全有效以及满足各项技术指标的材料，并加强施工材料的保护监管。

（二）筛选合适的基础形式和结构形式

高层钢筋混凝土建筑的基本形式在整个建筑成本的造价上，占据了工程总造价成本的三分之一以上，因而，在高层钢筋混凝土建筑结构的优化上选择恰当、合理的高层建筑基础形式能大幅度的降低成本造价，实現最大限度的成本优化。除此之外，高层钢筋混凝土建筑基础形式的选择还能够大大的缩短整个建筑工程的施工期限，这样一来，建筑企业在达到成本优化目的同时，还能够增加企业的经济效益[1]。

然而，选择合适的基础形式还需要考虑高层建筑物的基础结构以及建筑周围的地质条件。此外，我国的高层建筑楼层一直在不断增高，这对基础结构和地质条件的选择又提出了新的施工标准，再加上基础结构和地质条件决定了当下高层钢筋混凝土建筑结构的稳定性，且与整个工程的进度和工程造价息息相关。为此，高层钢筋混凝土建筑结构在设计的过程中，需要事前进行工程周围内外环境的勘测，在此基础上选择合适的基础形式，然后对高层钢筋混凝土建筑基础埋深的科学化控制，实现高层混凝土建筑结构成本的优化控制。比如，7层以下的建筑物，在建筑基础形式的设计过程中，其实际的成本应该占据整个混凝土框架结构成本的60%到70%之间。其次，为了保证框架结构的安全性，框架结构应该也可以适用于7-12层的高楼建筑。最后，在整个高层钢筋混凝土的建筑结构中科学合理的进行框架结构选材的成本控制，保障质量的前提下，选择性价比最高的材料。

二、建筑结构设计成本优化研究——以深圳高层钢筋混凝土建筑结构为例

（一）建筑结构设计项目背景

深圳科技大厦是集办公、科研为一体的高层钢筋混凝土建筑结构项目。该结构项目设计的建筑总面积达55822.51m2，建筑楼层的主体高度为99.3m，设计的楼层数量为25层，面积有36011.81m2，裙楼有3层，面积为8461.48m2，为了便于用户的出行以及车辆的停放，还特意在地下一层设计了停车场，面积为11349.22m2，以下则是该高层混凝土建筑大楼的各项经济指标。

本次的高层钢筋混凝土建筑为一类高层建筑，其耐火等级为一级，该设计的合理应用年限为50年，抗震设防烈度为七度。

（二）项目建筑结构设计的成本优化管理

深圳科技大厦，按照计价规范计算混凝土结构构件工程量清单，结合该高层建筑的楼层树立以及地上高度和建筑面积的分配，具体成本花费如下图所示。

该高层混凝土建筑项目属于一类建筑工程，因而项目的整体设计由一个甲级设计单位进行建筑结构的各项成本设计，因此该项目的成本数据计算的结构可靠性、准确性都比较高。为了加强对该大型高层钢筋混凝土建筑结构的成本优化，严格按照传统的方式进行成本管理，并且在建筑项目施工期间，对成本管理进行严格的监督，以此确保建筑施工工程的成本优化。尽管如此，高层钢筋混凝土建筑结构设计中还会出现一些意外的变量因素，为了加强对变量因素的控制，需要先对混凝土用量、人力成本控制，需要对具体的施工花费进行限额控制。然而，实际的成本花费虽然实现了预算的目标和限额，但是资源和建筑结构构件上还缺乏成本上的优化，因而成本控制的代价过大，不能满足最初高层混凝土建筑结构设计成本优化的目的[2]。

三、基于以深圳高层钢筋混凝土建筑结构案例下建筑结构设计优化措施

（一）选取恰当的建筑结构设计方案

建筑结构设计方案是整个高层混凝土建筑结构设计施工的主要参考。由于相同的建筑下使用不同的建筑结构设计方案会产生不同的效果，因此，设计者在进行高层混凝土建筑结构设计方案选择是应该注意一下几个方面的问题：第一、建筑结构设计方案中应该处理好建筑结构及其构件之间的关系，保证高层建筑结构受力处于最佳状态；

第二、在建筑结构的设计方案中应该简化高层建筑结构的受力途径，在保障受力均衡的状态下，提升高层混凝土建筑结构的抗风险能力；

第三、高层混凝土建筑结构者在设计方案的过程中出了考虑结构的稳定性之外，还应该考虑成本优化问题。

（二）选择合适的建筑施工材料

对于高层混凝土建筑结构来讲，其本身必须具备一定的承载力，才能保障整个建筑楼层的安全。而建筑结构承载力的关键则是建筑施工材料的甄选。因而，建筑结构设计中建筑施工材料的选择起着至关重要的作用，建筑施工人员通过选择不同建筑施工材料来提升整个建筑的总强度、延伸性，使建筑结构设计能够发挥其最大的承载力[3]。

另外，需要注意的是在高层建筑结构设计中，还需要考虑材料的性价比问题，通过对不同施工建筑材料的性能测试，选择最符合施工标准而且经济性最高的材料。再者，建筑结构设计成本优化除了建筑施工中的材料控制和管理，还应该在材料的运输和施工中加强施工材料的监管，避免施工材料遭受天气因素的影响和破坏。

结语：

综上所述，建筑结构设计成本优化一直是建筑企业提升市场竞争力的关键，尤其是对高层混凝土建筑结构设计来讲，实现成本的最优化不仅可以保障建筑工程结构的质量，还能大大的缩减施工期限，从而实现企业短期经济效益和长期经济效益的结合。此外，通过以深圳高层混凝土建筑设计的成本优化探究，可以得知，如今的建筑结构设计的成本优化主要表现在施工材料的成本管理、建筑结构设计方案选择等方面，因此要想实现建筑结构设计成本的最优化，还需要从建筑工程的整个内外因素着手，进行全面的勘测，便于建筑结构设计方选择以及施工过程中各项成本要素的优化管理。

参考文献：

[1]张革军，钟小华.建筑结构设计成本优化研究[J].城市建设理论研究（电子版），2014，（20）：816-816.

[2]崔波.建筑结构设计成本优化研究[J].房地产导刊，2015，（8）：99-99.

[3]肖宗军.建筑结构设计成本优化研究--以高层钢筋混凝土建筑结构为例[J].建材与装饰，2014，（48）：35-36.

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本工程采用设计软件SATWE进行结构整体分析，PMSAP空间有限元分析进行补充计算，部分构件采用理正软件复核。计算时考虑了扭转耦联效应。从表一所示的整体计算分析结果可以看出，结构前2个振型均为以平动为主的振型，第3振型为扭转振型。按楼板为完全刚性，采用SATWE进行整体计算，地震力用前24个振型进行组合，X，Y向水平地震作用下结构的有效质量参与系数分别为0.98，0.98，大于0.9，说明计算振型数已足够。Tt/T1=0.76，满足高规对复杂高层建筑的要求。

SATWE结构周期（s）

地震及风荷载作用下层间位移角及位移比

结构X，Y向刚重比分别为2.75、2.95，刚重比大于1.4，能够通过高规的整体稳定计算，刚重比大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。

3.4 弹性时程分析

按抗震规范和高规要求，该工程需进行多遇地震下弹性时程补充分析。选用2条天然波TH1TG035、TH2TG035和1条人工波RH1TG035进行对其进行弹性时程分析，三条波的特征周期均为0.35S。地震波的持续时间为20S，地震加速度的最大值为35cm/s2，图1为3条波及振型分解反应谱法（CQC）得出的楼层剪力及弯矩。每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%，满足规范的要求。因此，采用CQC法计算地震作用时，无须再对地震作用进行放大。

从以上时程分析计算所得的X向，Y向水平位移、楼层剪力和弯矩包络图及SATWE结果比较，现按动力时程分析得到的位移、楼层剪力、弯矩基本小于振型分解法，因此可以以振型分解法计算结果为主要设计依据。

图1

4.工程设计中采取的相应技术措施

本工程属框架-剪力墙结构，建筑高度较高，地面以上结构长度超过限值，而且由于平面形状不规则，针对上述不利因素，设计中采取了下列技术措施：

① 适当加大基底水平地震力。

② 严格控制墙体、框架柱的轴压比，加大外框架柱的配筋。控制轴压比，能保证结构有足够的延性，在罕遇地震作用下，即使超出彈性极限仍具有足够大的弹塑性极限变形能力（即延性和耗能能力），实现“大震不倒”的设计目的，从而保证结构有良好的抗震性能。由于北侧井道的刚度较大，相应南侧外框架的计算内力偏小，竖向荷载重的较大部分由南侧外框架柱来承担，因此对框架柱应作适当加强是必须的。

③ 加强框架梁与井道剪力墙的连接，由于井道与框架柱轴线距离大，保证梁端有可靠的锚固，可以加大梁端弯矩，对减小跨中弯矩、控制梁的挠曲变形极为有利。

④ 要求加强建筑物的外保温措施，减少混凝土构件受到的温度应力；

通过设置后浇带将温度应力及混凝土收缩产生的应力部分释放掉，后浇带采用强度等级高一级的混凝土，并加入微膨胀外加剂；通过加强配筋的方式，减少裂缝的数量。

5.结论

工程尽管平面、竖向不规则，但通过合理设置竖向构件和水平构件，使结构能够满足规范的各项要求。对结构补充计算其在多遇地震下的弹性时程分析，以及对整个结构采取一些必要的抗震构造措施，采用与之相适应的结构体系，经计算分析是可行的，满足规范要求；但更重要的是概念设计，通过结构方案的比较，采取一定措施，对整个结构的抗震性能将有更好的把握。

参考文献：

[1] 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）

[2] 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）

[3] 建筑结构杂志

[4] 高层建筑结构概念设计

[5] 北京市建筑设计技术细则-结构专业

[6] 中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型）.北京，2005