建立绿色节约型社会之结构优化设计

万墨罕

悉地国际设计顾问 （深圳） 有限公司烟台分公司，山东烟台 264000

结构设计就是一门关于“用少做大”的学问——即用较少的材料来支撑所给定的荷载或封闭一给定的空间，或不需要用更多的材料即可制造一个具有较大刚度或强度的实体。引用王昌兴教授的一句话“绿色建筑关键在于结构优化”。结构优化的目的不是不分轻重地都按规范或计算的底限进行设计，而是“物尽其用”，充分发挥材料性能。对影响结构性能的重点、关键部位及计算程序不能准确分析或计算模型与实际情况有出入的部分，应重点加强或补充分析，做到有的放矢、突出重点。本文将从降低工程造价方面对结构设计进行探讨和分析。

1 结构体系方面

（1） 一般认为，多层剪力墙结构造价要高于异形柱剪力墙结构。笔者曾做过10多个工程的比较，以其中之一进行对比，本工程位于山东省下属的一个县级市，2层花园洋房，7度，0.15g，甲方为降低工程造价，要求采用异形柱剪力墙结构。后经过分析计算，分析结果见表1。表中包含结构主体含钢量、楼梯及其余构造钢筋未涵盖。通过表1可以很直观的看出，剪力墙结构含钢量要略低于异形柱剪力墙结构，考虑到剪力墙结构可以减少填充墙、填充墙体拉结筋、构造柱数量，所以剪力墙结构无论含钢量还是工程造价都要明显优于异形柱剪力结构。甲方欣然接受剪力墙方案，不仅降低了造价，而且提高了项目的品质。另一项目为多层办公楼，开始甲方坚持采用框架结构，经过计算对比，最终采用的框架剪力墙结构形式。

表1 多层建筑剪力墙和异形柱剪力墙含钢量分析（ kg/m2）

（2） 山东多数地区属于丘陵地形，工程依地势而建，车库经常会出现三面埋于土中、一面开敞的情况。按照规范，这样的车库应该按照地上和地下分别进行计算分析并进行包络设计。如果车库上面还有几栋单体高层建筑，则属于大底盘多塔结构，属于复杂高层，面临各种构造措施的加强，而且嵌固部位也难以取到车库顶板，所有这些都会带来造价的增加。如果前期能说服建筑规划采取原敞开一面堆土覆盖的措施，使之成为全地下车库，这些问题便可迎刃而解。

（3） 高宽比较大的建筑物，宜采用抗侧力刚度较大的结构体系，其中抗侧力构件的布置对含钢量的影响不容忽视，构件合理布置就易使刚度中心和质量中心重合或接近，从而充分发挥抗侧力构件的抗扭刚度，控制扭转位移比在规范的限制内，避免抗侧力构件数量过多或位置不合理造成的多筋超筋现象。按照高度分界点控制建筑物高度。建筑物高度、风荷载大小、地震设防烈度对结构成本会有较大影响，当建筑物高度超过且接近分界点时，尽量通过优化层高、标准层面积、楼层数，使建筑物高度按照高度分界点控制。比如，60m是基本风压取值的分界点，大于60m的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用；24m是框架结构抗震等级的分界点；60m是框架—剪力墙结构抗震等级的分界点；80m是剪力墙、框支剪力墙结构抗震等级的分界点；35m是板柱—抗震墙结构抗震等级的分界点；抗震等级每提高一级，内力放大系数、构造措施均有提高。

（4） 车库顶板的结构形式，一直存在争议，传统的主次梁形式已在大多数工程中验证，用钢量最高；无梁楼盖用钢量本来最低，但无梁楼盖最近今年出过一些问题，设时不得不额外增加很多构造措施的处理，导致钢筋量的增加。同时，由于无梁楼盖不能作为车库的嵌固层，在实际设计中也存在问题；密肋楼盖和空心板楼盖可有效减低层高，特别是建材价格较高时，综合造价优势明显。主梁大板加柱帽是近几年逐渐流行起来的新的结构形式，主要用于地下车库楼盖设计中，采用有限元分析，充分厚板对梁及整体刚度的贡献。因为有明梁，同时可以满足规范嵌固端相关范围为梁板结构的规定。这种结构形式主体含钢量明显低于普通梁板结构，值得推广。

（5） 应选择经济合理的楼盖体系，双向板比单向板经济，连续板比简支板经济，连续梁比单跨梁经济，梁少比梁多经济 （已考虑板厚因素），一般单向次梁比井字梁经济，预应力楼盖比非预应力在材料方面经济等；以上几种楼盖对比仅适用于一般情况，具体需根据荷载、跨度、材料价格、施工费用做综合对比。

（6） 剪力墙结构一般有较大的优化空间。应控制墙体数量，墙的数量应尽可能的少；墙体厚度满足构造要求和轴压比要求，在同等墙厚的情况下，如提高混凝土强度等级可减少约束边缘构件的数量，则应提高混凝土的强度等级，达到优化目的；尽量少用短肢剪力墙，限制一字墙，少做转换。如果一定要做转换，转换数量尽量控制到10%以下。

（7） 控制好层高。因为层高的增加不仅仅对竖向构件的长度和体积有影响，还影响一系列的间接成本，对基础及相关内容、建筑构件、外装、设备及运营成本等都有成本影响。据行业内有关单位统计，对于中档房屋来讲层高每增加10cm，就增加30元/m2的造价。控制好层高并不是要牺牲房屋的净高，因为房屋的净高是房产客户极度关注的内容之一，牺牲房屋的净高降低了建筑产品的价值，就违背了全方位的控制成本的原则，所以一般情况下，控制层高从控制结构的梁高和有效利用机电设计的管道空间上面着手。一般情况下，设计单位仅仅从结构成本这单一成本考虑结构，梁高的经济合理取值在1/8～1/12梁高，但是若把层高等因素综合分析宜取1/10～1/16梁高，这是一个经验取值。如果在实践中去应用的话需要具体问题具体分析，做好和设计人员的沟通工作同时也要做定量的方案比较。有效利用和压缩机电空间要从两个方面着手，首先，在机电管线设计时，在条件许可的情况下，要求设计院做楼层的综合管线图 （空调、电缆、水管），采用综合管线图对机电管线进行认真的优化，这样一般可节省近200mm的空间高度；采用综合管线图进行优化的另外一个目的就是能够让各个专业认真沟通，有效避免差错。其次，压缩机电管线空间的另外一个途径就是让结构梁和管道空间能够结合起来，综合利用，基本方法有采用变截面梁、在梁中预埋预埋管和预留洞口使管线通过、采用设柱帽或无梁楼盖和让管道和梁平行布置等方法。

2 结构概念分析问题

重视结构概念设计，运用清晰的结构思维分析问题。所谓的结构概念设计，是指设计人员在从结构选型、布置、分析计算，截面设计到细部处理的整个设计过程中，对所遇到的问题根据建筑结构在各种情况下工作的一般规律，结合实践经验，综合考虑各方面因素，确定合理的分析、处理方法，力求得到最为经济、合理的结构设计方案。

例如，地下车库顶板覆土较厚，柱距较大，消防车道下的柱轴压比很容易超限，这些设计人员可能会考虑加大柱截面或提高柱混凝土强度等级的办法。实际上此处轴压比是否一定超限，笔者认为不尽然，因为轴压比是保证柱抗震延性的重要措施，地震发生时不存在消防车荷载，所以此处可不考虑消防车荷载。

2003版 《全国民用建筑设计技术措施-结构》 和2006版北京市建筑设计研究院 《建筑结构专业技术措施》 均提出地下室顶板，应考虑施工时的堆放荷载控制在5.0kN/m2以内。笔者认为，此处荷载，单独考虑施工堆载应和单独考虑顶梁板上的砌体墙荷载取不利情况，而不是同时考虑，因为砌墙后不存在施工堆载。

控制建筑物整体位移，以不超过规范20%为宜，位移太小，建筑物整体刚度偏大，吸收的地震力便大；位移太大超过规范要求，则建筑物整体刚度偏小，结构不安全，很多软件在计算过程中，并没有考虑钢筋的作用，导致计算出整体位移不足，要加以辨别区分。

3 精确计算荷载、多次试算、择优用之

“精确计算荷载、不乘放大系数、调小归并系数、着重量大面广构件、多次试算、择优用之”，这是引自某甲级院结构技术措施中一句话。对任何种类的民用建筑，梁板柱尺寸在满足基本刚度、构造措施及防火要求的前提下，尽量取小尺寸。对任何种类的结构，要想节省造价，首先要减小荷载，主要是恒载 （构件自重、楼层建筑做法及墙体等重量） 。重视荷载折减问题，对于底部为商业上部为住宅的项目，柱、墙及基础折减系数不能统一按照住宅的选取，也不能按照商业不折减，应人为加以调整或在软件中加以干预，计算应该和实际使用功能相符。

消防车作为偶然荷载，在计算时如果按照普通荷载输入，应该在规范折减的基础上对消防车荷载进行进一步的折减，而且构件截面和配筋不必满足消防车荷载组合下的裂缝和挠度限制，但应满足平时荷载要求。还应限定车库顶板的荷载，要求车库顶板填土应采用倒退施工法，填土完成后，禁止大量堆载及大型车辆驶入。

重视周期折减系数，对于同一种结构形式的建筑，墙体的布置不同，内部空间砌体墙数量的不同，不能全部采用同一折减系数，例如地上车库，出防火墙之外再无砌体墙，此时折减系数可比规范放松，具体情况具体对待之。

高层建筑物的体型系数应按照荷载规范附录精确计算，而不应统一采用1.4或1.3，导致项目的资金浪费或不安全。

对于三级钢，当混凝土强度等级≥C40，最小配筋率将大于0.2%；对于二级钢，当混凝土强度等级≥C30，最小构造配筋率将大于0.2%，根据以上指标，当混凝土强度等级≥C40后，优先考虑四级钢；当混凝土强度等级≥C30后，优先考虑三级钢。

混凝土强度等级对成本的影响。等级增加，单价上升，等级每增加一级，单价提高5%～8%。提高等级可显著减小柱墙的尺寸，增加建筑实际使用率。正常情况下对梁的承载力影响不大，不宜采用高等级。正常情况下对板的承载力影响很小，但可能提高板的构造配筋率，同时还会增加板开裂的隐患，应尽量采用低等级。

软件中采用较小的归并系数，否则就会造成一定程度的浪费。

4 地基及基础

地基及基础是降低工程造价最有潜力可挖的方面：小到基础埋深，大到基础方案的选择。基础方案一般的选择顺序：天然地基—地基处理—预制桩—现浇桩。

地基处理方案的确定，原则上应通过不同的可行方案的经济性和施工周期的比较来实现。对于地基承载力＜150kPa的地下车库基础，采用柱下独立基础往往较桩基更不经济，应慎重比较采用。满堂布桩经济性肯定比不上桩集中布置于墙柱下。

地下室的抗浮水位在有条件利用坡地疏导排水的情况下，疏导优于抵抗，首先应降低抗浮水位，以减小地下室底板及侧墙的配筋量。地下室外墙应按压弯构件进行设计。

5 人防

人防顶板采用塑性算法；扩散室尺寸应经精细计算确定，平时接触的扩散室尺寸往往比计算值大很多；允许延性比是人防结构最重要的参数，不必再进行人防荷载组合下的裂缝和挠度验算。所有人防构件均进行详细计算，满足规范及构造要求，避免“算不清”，加钢筋的设计误区，同时人防墙的计算模式应合理选取。

6 参与勘察

对勘察布点和勘察报告所提参数提出合理建议，并提前根据初勘报告在建筑方案阶段提出适宜做地库的位置和适宜的地库层数。

目前勘察单位水平差距较大，部分单位提的抗浮水位往往不准确，偏保守或不安全，设计院必须仔细分析场区土层剖面，和建成后的地面标高 （有挖方有填方水位会变化），并根据场区周围的地形地貌，考虑后期其他项目对地下水位造成的影响，判断提出自己的意见，让勘察方认可。

7 结语

结构优化应在工期、主体含钢量及混凝土用量、施工 （人工、材料、施工难易） 、检测、降水、基坑支护等各方面综合考虑，降低工程总造价。结构设计优化、结构创新不是凭空想象，而是在为尽力满足业主和建筑师需求的责任感鞭策下应去面对和开拓的，创新要靠坚定的信心，这种信心可以通过大量不同的模型试验和计算机模拟分析来建立，但最终还要靠正确的判断力来把握。为业主创造价值，一方面降低造价成本，另一方面通过结构设计优化，为业主和建筑师开拓建筑物的使用功能，提升建筑本身各方面的附加值。

[1] GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[2] GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[3] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[4] GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[5] GB50038-2005，人民防空地下室设计规范[S].