建筑结构优化设计原则与控制节点

陈海金 罗玲

摘 要 设计是土地开发建设过程中的一个重要环节，是将土地开发建设决策各项内容具体化的过程，设计的合理性是决定建设项目成本造价和经济效益的重要因素。设计质量的好差直接影响建设费用的多少和建设工期的长短，直接决定人力、物力和财力投入的多少。设计咨询是房地产项目成本控制的关键与重点。通过设计优化，可为建设项目节省成本、降低造价、提升价值、提升利润。下面笔者主要从结构设计方面谈谈优化设计方面的一些观点。

关键词 结构设计优化;建筑成本控制;结构方案比选

1什么是结构设计优化

笔者认为结构优化并非简单地归纳为降低钢筋含量控制结构造价。首先，优化不能通过牺牲结构的安全度和抗震性能为代价，而是基于规范基础之上寻求结构的安全性、适用性和经济性的统一。结构设计优化是以结构理论为基础，以工程经验为前提，以对结构设计规范实质内涵的理解和灵活运用为指导，以先进的结构分析方法为手段，对设计进行深入调整、改善与提高，对成本进行审核和监控，是对结构设计深化再加工的过程。结构优化中的概念设计优化应该是在不同的设计阶段尤其在方案和初设阶段来解决的，而通常理解的降低钢筋含量的控制是在施工图阶段去完成。

2为什么需要结构设计优化

大量的统计数据和实践表明，前期策划和设计阶段（项目策划、方案设计、初步设计、施工图设计）影响整个房地产项目投资在80%以上，而结构成本占到建安成本的40%～60%，因此结构设计优化就成为整个设计阶段成本控制的重中之重。

合理的结构设计优化能提升建筑设计安全，通过建筑、结构设计优化方案的实施，将建筑设计中的不安全、不合理的影响因素及时排除，使建筑功能更为合理或得到提升，减少和避免设计差错。设计优化是对设计进行深入调整、改善与提高，对成本进行审核和监控，是对设计再加工的过程。优化过程通过多种方式构建建筑模型，运用不同软件的技术的支撑对结果比选，分析计算数据，可从源头上降低工程造价。

3结构优化设计的关键控制点

3.1 建筑方案选型

我国建筑方针是“安全、实用、经济、美观”，建筑方案的选型不能一味追求视觉冲击，本末倒置，以怪为美。采用此种建筑方案的结果必然是耗材严重，甚至会耗费几倍于合理范围的材料用量，建筑师应该树立意识，从源头上杜绝采用功能差、效率低、隐患多的不合理方案。

3.2 结构设计参数取值

（1）结构体系的确定：结构体系主要影响抗震相关内力调整系数，轴压比限值，最小配筋率，应根据实际情况正确选择。该参数不影响刚度计算，即对周期、位移、位移比没有影响，但对配筋有影响。

（2）结构所在地区：根据项目所在地进行选择，除项目在广东、上海需要特别指定外，其余地区都选择全国。此处主要是涉及广东省高规、上海抗规的执行。对于常规结构设计差异不大，主要是广东省高规剪力墙结构位移角限值放松为1/800。

（3）地下室层数：按四周全埋有效地下室输入，该参数主要影响周围土侧限的施加及风荷载起算位置。该参数对结构整体计算结果影响较大。

（4）嵌固端所在层号：该参数主要影响嵌固部位内力放大和配筋加强范围，不影响周期、位移等刚度指标。如有条件尽量选择嵌固在地下室顶板，即需要满足刚度比大于2，满足建筑功能的前提下应优先考虑加墙长，用最低的成本提高最大的刚度，不宜采用加墙厚。加墙厚相应边缘构件及墙身配筋都会增加，结构造价增加较多。

（5）裙房层数：此处主要是依据《抗规》6.1.10条条文说明，主要影响剪力墙底部加强区高度，对刚度等相关指标无影响[1]。

（6）恒活荷载计算信息：方案、初步设计阶段（前几轮初步计算时），建议采用施工模拟一，该方法计算较快，可节省时间;施工图设计阶段（后几轮计算时），应采用施工模拟三（分层形成刚度、分层加载，最符合实际情况），该方法计算更加准确，耗时较长。

不计算恒活荷载、一次性加载几乎从来不用。

（7）地震作用计算信息：一般情况选择“计算水平地震作用”;对于设防烈度为7度（0.15g）、8度高层建筑结构大跨度（跨度大于24m的楼盖结构、跨度大于8m的转换结构）、长悬臂结构（悬挑长度大于2m的悬挑结构），以及9度时应选择“计算水平和规范简化方法竖向地震作用”[2]。

（8）生成传给基础的刚度：该参数主要影响基础设计，不影响上部结构计算。建议仅上部结构为剪力墙，基础为筏板时勾选，其余情况不勾选。考虑上部刚度后，筏板内力将减小，更加经济。

（9）刚性楼板假定：常规工程建议勾选“整体指标计算采用强刚，其他计算非强刚”，软件在计算刚心、刚度、周期、位移比时按刚性楼板，计算配筋时按非刚性楼板。

（10）地下室楼板强制采用刚性楼板假定：当地下室为一个整体时，应勾选。当地下室设缝时，不勾选。

（11）建议选择梁墙自重扣除与柱重叠、楼板自重扣除与梁墙重叠，减小构件自重的重复计算。

（12）根据荷载规范要求正确进行活荷载折减。

3.3 着重优化地下室设计

地下室作为项目配套部分，大部分房地产项目都要求在满足功能需求车位数的基础上，尽可能地控制地下室面积。

多数项目中地下室的建造成本较高，根据设计功能，场地地下水分布情况，一般在2000～4000元/㎡左右，成本差异较大;地下室工程的施工周期占项目主体施工周期的40%以上;地下室的停车效率一般在28～40㎡/辆，差异性较大。尤其在项目功能复杂、地质条件复杂的地方，地下室成本离散性更大，地下室的综合优化已成为成本优化的关键点。

在地质情况和上部建筑确定的前提下，地下室含钢量的三大影响因素：层高（埋深）、覆土、结构方案。

通过地下室设计成本的综合考虑，使无梁楼盖大量应用于地下室顶板。无梁楼盖结构传力途径的简化[现浇梁板楼盖导荷方式：楼板→次梁（或无） →框架梁 →框架柱;现浇无梁楼盖导荷方式：楼板→柱帽（或无）→框架柱]、结构材料能够直接放置在最直接的部位提升传力效率，也正是這种传力途径使得楼板与柱连接部位（柱帽）成为冗余度最少，成为直接影响安全的关键部位。无梁楼盖的板柱节点抗冲切能力弱、呈脆性破坏形式，突发破坏难以预警，属关键性结构构件，结构设计须重点关注冲切承载力复核工作。复核冲切承载力时，要特别注意不平衡弯矩对剪应力的增大影响，通常地下车库距外墙第一跨框架柱柱帽节点所承受的不平衡弯矩较大，剪应力增加约15%～20%。通过笔者对覆土厚度为1.0m的双向柱距为8.4m左右地下车库顶板楼盖分析归纳，柱帽总高度约为600～750mm左右，若柱帽高度远小于该值，则设计人员应引起足够重视，手工复核验算板柱节点的抗冲切承载能力。且笔者不建议柱帽作为暗梁的加腋考虑，如果柱帽作为暗梁的加腋，则柱帽在承受冲切力的同时又要考虑梁腋的应力，使得该节点的受力状态变得更加复杂。柱帽对暗梁的加腋作用可作为安全储备，适当提高结构承载能力冗余度。

3.4 适当优化梁的布置及配筋方式

楼盖造价占结构总造价的9%～13%，其重量占整个房屋重量的22%左右。梁属于楼盖的一部分，其布置直接影响着板的受力情况和配筋，合理布置梁也成为控制造价的关键。对于常见的8.1mx8.1m～9.0mx9.0m柱网，标准层等承受荷载较小的楼板优先考虑平行梁或十字梁，其大概综合成本（计算钢筋的数量、混凝土的数量和模板的数量）会比井字梁低10%左右，而对于地下室顶板等承受荷载较大的楼板应选用井字梁，以满足协调受力、保证净高的要求。同時，可以取消那些小跨度楼板下部为支撑上部较短填充墙而设置的小梁（如厨房、卫生间等），因为楼板本身足以承载那些填充墙，不需要单独设梁，这样梁减少，成本降低，空间也变好。在大跨度框架梁配筋方面，应避免上部粗大钢筋全梁贯通，尽量采用较小直径钢筋配置，这样可以有效节省框架梁的钢筋用量。

3.5 合理选用混凝土强度

混凝土标号每增加一级，单价提高约5%～8%;对柱、剪力墙、支撑构件等以承受竖向轴力为主的构件，应优先选用高标号混凝土;对梁、板等水平构件，标号高低对梁的承载力变化不大，应选用低标号混凝土;工程设计时通常将墙柱混凝土标号高于梁板混凝土标号一至二个等级，将混凝土承载能力最大化。

3.6 尽量选用高强度钢筋

HRB335级钢筋比HPB300级钢筋单价高约3%，强度提高11%;HRB400级钢筋比HRB335级钢筋单价高约2.9%，强度提高20%。因此，设计中除了以最小配筋率控制的构件外，使用HRB400级钢筋代替传统的HPB300级钢筋和HRB335级钢筋作为受力钢筋，可有效降低工程的钢筋用量。条件允许的情况下采用高强度钢筋，可带来的经济效益非常可观[3]。

4结束语

合理的结构设计优化，能在不牺牲结构的安全度和抗震性能的前提下，为开发建设项目节省成本、降低造价、缩短施工周期，提升开发价值、提高开发利润。

参考文献

[1] 混凝土结构设计规范：GB50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 建筑地基基础设计规范：GB50007-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.