小议建筑结构设计中如何降低含钢量

小议建筑结构设计中如何降低含钢量
覃廖辉
摘要：建立有效的成本控制体系，从技术方面、材料方面、人力系统方面、经济方面以及施工进度方面进行控制，选择优秀的设计单位及优秀的设计师，对建筑产品多方案优化设计，在确保建筑物安全，满足使用功能的前提下，合理地选择建筑材料，在设计过程中，多方面进行控制结构构造，降低结构钢筋含量。
关键词：建筑结构设计;含钢量;主要因素
引言
我们的世界正在进入绿色的低碳经济时代，它不仅是本世纪人类最大规模的环境革命，而且也是一场深刻的经济发展能力变革。我们的国家正在倡导绿色节能建筑，要求在设计工作中贯彻执行控制成本、降低造价、节约能源的指导思想。统计资料表明，目前的土地价格持续增长，土地成本相对增加，那就要求在单体建筑物的成本控制方面多下工夫，来控制建筑的单方造价，将单体建筑物的优化设计、材料选择和施工工艺等方面作为控制成本的重点。设计阶段是决定建设项目投资控制效果的关键阶段，工程设计是影响和控制工程造价的关键环节，建筑单方造价中结构主体部分约占总造价的50％～70％，结构主体造价中钢筋与混凝土的用量占主要部分，而钢筋的价格比混凝土的价格高较多，故结构含钢量的高低成为影响成本控制的主要因素之一。
结构设计是建筑设计最重要的一个环节，对于同样的建筑物。不同的结构设计师对含钢量的要求不同。钢筋是比较贵重的建筑材料之一，它的用量直接影响工程造价。如果钢筋用量不当，没有经过细致设计。必然会造成很大的浪费。在某些地方，设计概算的含钢量甚至成为设计能否中标的决定性因素。因而在结构设计中，在满足规程规范及设计计算要求的前提下，应尽量降低钢筋的含量。以下结合报刊、杂志、电视、网络等信息及实际工程设计工作中的一些经验谈谈减少含钢量的一些方法。
一、运用价值工程进行限额设计
价值工程是通过对产品的功能分析，不断创新，使之以最低的总成本可靠地实现产品的必要功能，从而提高产品价值的一套科学的经济技术方法。它是处理工程造价和功能矛盾的一种现代化手段，运用这一方法，就可以通过功能细化，把多余的功能去掉，对造价高的功能实施重点控制，从而最终降低工程投资。按照总概算造价限额进行施工图设计，在保证各专业达到使用功能的前提下，各专业按分配的投资额控制设计，结构专业要对钢筋与混凝土的用量进行优化。并考虑施工工艺简单。在整个工程设计过程中，设计人员要有强烈的工程造价控制意识，精心设计。结合材料市场价格情况，大胆采用新工艺、新材料、新技术，不任意提高设计标准和扩大设计规模。一切从节约的角度出发，把技术与经济结合起来。按照限额设计的要求，严格控制不合理的设计。
二、选择优秀的设计合作单位
房地产开发企业的项目设计要选择具有质量保障体系的设计单位。优秀的设计企业有良好的信誉、有优质高效的设计团队，才能保障设计出优秀的建筑作品。优秀的设计企业通过他们的设计阅历，有着丰富的设计技术和经验，在建筑产品设计过程中。能够对细部进行刻画，各专业设计人员相互协调配合。采用科学的理论方法，加强经济论证，对设计方案进行择优选取，不仅从技术上，更重要的是在技术与经济相结合的前提下，对各种方案的技术指标和经济指标进行定量分析和科学论证，保证建筑物功能合理、经济、安全、适用。由于大多数建筑物的建筑结构设计使用年限为50年，建筑产品为终身负责制，这些方面的保障要通过有信誉、且质量体系、管理体制完善的设计单位去实现。
三、影响结构含钢量的主要因素
3.1建筑平面布置尽量简单，对凹凸部分要进行控制，避免出现复杂的平面形状，例如平面凹凸比较多时，增加了外墙面的面积。不仅影响节能保温造价，而且结构的钢筋含量增加。结构设计的各项指标也会趋于不合理，影响结构的总含钢量。同样，建筑的立面亦应尽量简单、规则，应避免较多的立面造型、线脚等其他附属物，屋面构架及造型应尽量少做。
3.2 合理地控制建筑物的高度，采用恰当的结构型式，降低建筑物的抗震等级。如：当住宅为剪力墙体系时，抗震设防烈度7度，结构高度在80m以内时，抗震等级为三级；高度超过80m时，抗震等级为二级。由于结构抗震等级不同，混凝土构件(墙、梁等)的最小配筋率不同，钢筋的锚固长度也不同，影响结构的含钢量。当超过80m时要对面积增多与含钢量增加进行总价分析，来决定建筑物高度与层数。
3.3 建筑功能分隔及装饰材料的影响。目前建筑材料品种繁多，选择余地较大。建筑设计时，要尽量选择重量比较轻的材料。重量轻，结构构件受力小，地震作用减小，钢筋用量也小，楼房总重量变轻，基础设计能够减小截面及配筋。
3.4 结构计算中荷载取值要符合规范及实际要求，不能随意加大荷载数据。荷载数值与结构钢筋量为倍数关系。结构采用计算机软件进行分析时，所选计算模型要与实际相吻合，并多方案进行优化、比选。尤其是一些参数选择对结构配筋影响很大。例如梁板跨中弯矩增大系数，一般情况可以不增加，在实际中有的工程取值取1.3，这样一来跨中钢筋增加了3O％。虽然增强了安全储备，但同时也增加了钢筋用量。设计时应根据有利及不利因素适度调整。再如水平地震力影响系数基本上不调整，有的工程进行了放大，增加了钢筋用量。根据工程的重要性及客户的要求。可以对一些重要构件采用中震弹性或中震不屈服设计，增强重要构件的安全储备。
3.5 钢筋材料的选择对含钢量的影响较大，结构设计时应尽量选择高强钢筋。钢筋材料的选择目前常用有三种：HPB235、HRB335和RB400级，根据新规范的要求，采用高强度HRB500级钢筋也是一种趋势。在设计中尽量采用较高强度等级的钢筋，能够减少钢筋用量，节约能源。例如采用HRB400级钢筋可比HRB335级节约8％一10％左右。
3.6 结构设计中应选择较小直径的钢筋。抗震区的建筑物，当选用钢筋直径大于25时，钢筋的锚固长度比钢筋直径小于等于25时多2～6d，受力筋直径尽量不大于25。当受拉锚固时，若钢筋面积相同时，尽量选用小直径钢筋。直径小钢筋锚固长度短，钢筋可以节省。钢筋连接尽量选用机械连接或焊接，比搭接时节省钢筋。机械连接可用直螺纹连接。
3.7 选用合理的结构型式。方案设计时，应考虑不同的结构型式对总造价的影响，尽量避免出现一些如大底盘多塔楼、错层、转换等复杂的结构型式。在方案设计时尽量调整建筑布局及功能设置，采用简单的、直接的结构型式。复杂的结构型式含钢量较简单的结构型式的含钢量大许多，故而合理的结构型式对工程造价影响较大。
3.8 单层地下室设计时，应注意楼板形式的选择、覆土的厚度、地下水浮力的大小、人防的抗力级别、地下室的抗震等级等等。单层地下室往往柱网较大且规则，楼板选择无梁楼板或空心楼板或预应力楼板比普通现浇楼板一般要经济些，一方面钢筋及混凝土的用量要小些，另一方面可以降低层高，减小地下水浮力的大小。地下室顶板往往有一定的覆土厚度来满足景观等方面的要求，结构设计时应与建筑、给排水等专业进行协调,在满足各功能要求的前提下，尽量减少覆土的厚度。因为覆土越厚，重量越大，自然含钢量就会越高。而人防抗力级别对地下室含钢量的影响也很大。由于人防荷载非常大，相差一个抗力级别，荷载相差就很大了。故而方案设计中，应尽量降低人防的抗力级别。另外，由于地下室抗震等级的选择在规范中的规定有弹性，应根据工程的实际，选择合理的抗震等级。因为提高一个抗震等级也就意味着含钢量将提高10%～20%左右。地下室一般范围较大，因而控制好地下室的设计，对控制整个工程总的造价将有较大的影响。
3.9 设计过程中合理控制结构构造，具有较高综合素质的设计人员能够通过整体概念设计，合理地进行结构构造设计，综合考虑设计中的有利因素，在保证安全的情况下，能够减少钢筋用量。如在框架结构设计中，有的设计人员任意加大梁端上部钢筋。认为钢筋加大，结构越安全，其实这样增加钢筋。反而起到了相反的作用。在地震作用下。梁铰机制变成了柱铰机制，容易造成楼层屈服。柱子先破坏，违背了“强柱弱梁”的设计原则。另外，一些非受力构件的配筋一般情况下只要适当配筋即可，没有必要完全按照受力构件的最小配筋率的要求来控制，以节约钢筋，降低含钢量。
四、各种结构体系的含钢量范围
通过大量实际工程结构含钢量的统计调查，下面列出了不同结构体系建筑的含钢量。钢筋含钢量受多种因素影响，不同建筑物含钢量是不同的(见表1)。各种结构体系含钢量统计设计条件：抗震设防基本烈度为7度，场地类别Ⅲ类，抗震构造措施为7度。(表中的钢筋含量仅供参考)
表1 各种结构体系的含钢量范围
编号 结构体系 层数 含钢量范围（kg/m2) 备注
1 砌体结构 6～7 25～35 当有砼斜屋顶，飘窗较多时，含钢量较高
2 框架体系 6～8 45-55 民用建筑(居住或办公)，楼层荷载不大
3 异形柱体系 9～l0 55～65 不含人防，体型复杂含钢量高。
4 短肢剪力墙 12～15 55～65 不含人防，一层地下室，筏板式基础
5 剪力墙 18～26 48～65 不含人防，一层地下室，总高不超过80m， 抗震等级为三级
6 剪力墙 26～32 56～75 不含人防，一层地下室，总高80～100m，抗震等级为二级
7 带转换层剪力墙 18～30 90～110 不含人防，转换层数不同，较复杂时含钢量高

8 纯地下人防车库 地下一层 150～210 六级人防，当面积较大时，含钢量较低
填土厚1.2左右
9 纯地下车库 地下一层 65～100 无人防，形状简单，面积大时含钢量低，填土厚1.2左右
10 框架别墅 2～3 40～55 斜屋顶为砼结构时含钢较大

五、结束语
设计单位、房地产开发企业要获得较大的经济利益，应从多环节入手，建立有效的成本控制体系，从技术方面、材料方面、人力系统方面、经济方面以及施工进度方面进行控制，选择优秀的设计单位及优秀的设计师，对建筑产品多方案优化设计，在确保建筑物安全，满足使用功能的前提下，合理地选择建筑材料，在设计过程中，多方面进行控制结构构造，降低结构钢筋含量。控制好建筑成本，使设计单位、开发企业在市场中不断取得竞争优势，不断取得更大经济效益及社会效益。
参考文献：
[1] 混凝土结构设计规范（GB50010—2002） [北京：中国建筑工业出版社．2002．]
[2] 建筑抗震设计规范（GB5001l一2001）（2008版）[北京：中国建筑工业出版社．2008．]
[3] 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） [北京：中国建筑工业出版社．2002．]
[4] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002） [北京：中国建筑工业出版社．2002．]
[5] 中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部．SATWE，TAT，PMSAP应用指南.
[6] 混凝土结构构造手册（第三版） [北京：中国建筑工业出版社．2008．]