结构成本控制的精细化设计

【摘要】结构精细化设计对于设计师而言，就是认真计算、精心制图，以强大的责任心对待每一个细节。在结构方案选定之后还有很多的细部工作可做，包括什么样的节点构造传力更为可靠、更方便施工；何种箍筋型式对受力有利；如何确定纵筋的直径和间距才会使裂缝宽度最小；混凝土墙、柱的截面尺寸应该在第几层变截面等等。从而更能优化结构设计，节约土建成本。 【关键词】 成本控制 精细化 结构设计 前言： 一个合理的结构方案，从源头上就控制住建造成本。应该具体分析结构体系，做到结构合理化，把握住结构的总体形式。对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理的范围内，这样在施工图设计当中就不会盲目设计，造成不必要的浪费。类似的文章比较多，本文不再赘述。本文仅在此基础上，总结以往工程，进一步优化设计，做到精细化设计，使结构成本进一步降低，做到精益求精。 一、控制层高，包括地下室层高和上部层高。 控制地面以上部分层高的优点：因为计算长度减少而减少柱、墙体积；减少总高，在规划条件控制总高的前提下可以增加层数；减少地震力和风荷载。控制地面以下部分层高的优点：不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运，减少了地下水丰富区域的水压力的影响，对地下室的底板和抗拔桩的设计都起到了有利影响。除此之外还可以减少其他土建成本，如减少维护墙、分隔墙、装饰工程量；减少门窗、幕墙、粉刷、涂料、防水等工程量。另外还可以减少设备及运营成本，比如地下室层高减少就能减少水泵的扬程从而减少耗能负荷。根据杭州的工程经验，地下室每加深100mm，增加造价约60元/m2 ，如果一个三万平方的地下室30000m2 x60元/m2 =180万元。 结构层高取决于净高，而影响净高的因素是结构梁高和设备管线。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，如果牺牲房屋的净高就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。 一直以来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1/10～1/18梁高，这是一个经验取值，也是规范建议的取值。在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中就已经改进，第6.3.1条条文说明是这样解释的：过去规定框架主梁的截面高度为计算跨度的 1/8～1/12 ，此规定已不能满足近年来大量兴建的高层建筑对于层高的要求。国外规范规定的框架梁高跨比比我们更小。因此，不论从国内已有的工程经验以及与国外规范相比较，这次规定的 1/10～1/18 ，是可行的。我们提出的数值，在选用时，上限 1/10 仅适用于荷载较大的情况。当设计确有可靠依据，且工程上有需要时，梁的高跨比也可小于 1/18 。 在工程中，如果梁的荷载较大，可以选择较大的高跨比。在计算挠度时，可考虑梁受压区有效翼缘的作用，并可将梁的合理起拱值从其计算所得挠度中扣除。从规范的变化来看，已经注意到梁高的影响。 对于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甲方委托专业公司做楼层的综合管线BIM（空调、电缆、水管），采用BIM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。 二、做好基础的选型和方案比较 基础部分（尤其是桩基础）在施工过程中往往是最不容易控制成本的，这就要求在设计管理过程中要认真做好地质勘察设计，摸清地下复杂的地质情况，根据地质情况合理选择合适的基础形式或桩型，合理选择持力层，合理选择桩长，还是要认真做好精细化设计，做好多方案的比较，用总的成本数据与合理施工周期为依据做好选择。在基础方案比较的时候一定要耐心的把具体的方案全部做出来，认真的算经济帐再确定合理的方案。 如何判断桩基础的总量是否合理？可以通过以下公式进行估算：总承载力/总荷载=1.1～1.3（一柱一桩的灌注桩取小值，多桩承台的管桩取大值）， 一般情况下我们估算建筑的总荷载有个经验值，供大家参考，对于框架结构单位面积重量的每层标准值在12kn/㎡～15kn/㎡；框剪结构为13kn～16 kn/㎡；剪力墙结构为15kn/㎡～18 kn/㎡；框筒结构为14kn/㎡～16 kn/㎡；地下室一般在20 kn/㎡左右。这样我们基本上根据建筑方案和地质条件在设计初期对基础方案进行比较了，然后根据设计条件的成熟逐步深入。 在桩（基础）的设计时要把握好以下几点，从而对桩的总量进行优化； 1）关注柱底内力的取值，考虑好实际的柱底内力组合。 2）关注桩承载力的应用，选择合适的桩径和桩长。 3）关注桩基础中地下室底板承载力的利用，一般老土的承载力还可以，这时候地下室的底板和活荷载可以利用老土来承载。 4）关注水浮力的利用，利用水浮力抬升建筑物，降低桩和基础的数量，不过这需要一定的经验，同时在地质勘测的时候要让地质部门提供一个准确的历史最低水位值，有时靠地下水的作用可以使桩的数量有一定的减少，我们一般二到三层地下室时才考虎水浮力的有利影响。 5）关注基础类型的归并，一般基础的归并不宜超过15%，否则就造成一定程度的浪费。 三、梁的布置和配筋方式 一般情况下梁的布置不会有什么大的问题，但是在地下车库和商业大跨度空间，比如在8.1mx8.1m的柱网下，选择井字梁还是十字梁就要做个方案比较了，一般情况下对于标准层采用十字梁比井字梁较经济大概综合成本（计算钢筋的数量、混凝土的数量和模板的数量）要低10%左右，对于地下室顶板则采用大板加腋比较经济，对于屋面或荷载较小的时候井字梁和十字梁相差不多。    在梁的配筋方式上要做到精细化设计，要考虑柱截面尺寸较大时，刚域约束对梁端弯矩取值的影响，即梁端弯矩应从梁柱交边线处取值；框架梁中上部通长钢筋尽可能按规范规定的低限配置，支座负筋应按弯矩包络图配合构造要求分段截断；梁底部钢筋在中间支座处不应安排全部锚固错接、搭接，尽可能采用与邻跨拉通，个别锚固、切断的配筋方式；住宅标准层梁宽常为200或250，此时梁顶钢筋宜采用小直径钢筋；不得已不要采用直径大于25的钢筋；主次梁相交处，优先采用附加箍筋的方法。不得已采用吊筋时，应在采用附加箍筋后经过结构计算采用较小直径的吊筋。 四、荷载取值，由于上部住宅荷载规范都有很明确的说明，而地下室荷载的取值对于地下室结构设计影响很大，且起决定性作用，因此把握好地下室顶部覆土厚度的控制和顶部活荷载的控制以及地下水浮力作用对地下室的结构成本控制影响很大。 地下室顶部覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，这就要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶部覆土的厚度。对于一般的设计单位地下室顶部活荷载的取值为10kn/㎡（非人防和消防车道部位），规范中规定这个活荷载取为10kn/㎡是因为考虑在上部结构施工工程中加在地下室顶板上的脚手架等施工荷载，但是在实际的施工过程中这个活荷载往往和覆土荷载不是同时组合的，这样实际的荷载组合就比设计荷载组合小了不少，所以对于有经验的荷载取值这里的10kn/㎡原来可以换为4kn/㎡，执行通用规范要求5kn/㎡，这样就大大减少了结构成本，不过这些覆土厚度和荷载优化的时候要注意做好根据具体情况的灵活运用，不可千篇一律，技术交底时再三强调回土时超载不能太大，严格按规范要求施工。    对地下室的结构成本控制要利用好地下水位高度的取值和应用，很多设计工作者由于对勘探资料的不确定性产生对勘探结果的疑虑，在进行地下室外墙及底板水浮力计算时，一般都按地面以下0.5m或者车库入口标高作为最不利水位，在计算地下室侧板的主动土压力系数也非常粗略的按0.5计算。虽然这样很保守，但却增加了很多成本。这就要求我们在做地勘报告的时候做好更为准确相关数据的要求，最主要的是承载力以及抗浮设计水位。承载力取值往往是参照不同的规范有不同的结果，有时相差较大，有些勘察单位取得较保守，关键在于选择有经验的勘察单位，可以要求勘察单位提出最低设计水位标高，这样为后面的成本控制和精细化设计服务。比如国家大剧院工程，经过严格的工程勘察，并对比历年地下水位变化，将抗浮设计水位定得比较低，大大减少了水浮力，在使用过程中也没有出现任何问题。   还有其他细节上的处理，比如剪力墙的厚度可经过《高层建筑混凝土结构技术规程》附录d专门的公式验算，大部分墙厚不需比标准层加厚或加厚一点即可满足墙体稳定性要求；柱的体积配箍率为混凝土单位长度范围内箍筋的体积除以该范围内混凝土核芯区内的体积，实际施工图设计中，设计人员往往将核芯区体积以柱的总体积来替换，以方便计算，并满足规范要求；柱子纵向钢筋的配置技巧，将较粗钢筋放在角部共用；分析规范要求的目的；风荷载控制保证承载力安全，变形：50年一遇的风荷载变形须保证满足规范要求，100年一遇的风荷载变形可放宽，但承载力必须保证；电算时一些系数的取值也会影响整体的成本。     建筑方案的确定，结构成本确定了70～80%，另外的结构方案优化和结构精细化设计占20～30%。结构方案的优化会降低无效成本，精细化、系统化设计，会确保结构合理。