关于住宅建筑结构优化设计的

【摘 要】住宅工程项目的建造成本是项目开发成本的重要组成部分,通过结构设计优化可以降低工程建设成本,提高经济效益.文章就如何实现住宅结构的优化设计进行了探索,并提出了相应的设计思路.

【关 键 词】住宅建筑；结构优化设计；钢筋混凝土；影响；建议

1结构优化设计对工程投资控制的影响

住宅工程开发项目的建设全过程可划分为决策、设计和施工三个阶段.工程项目投资控制的关键在于决策阶段和设计阶段.工程设计费用一般不超过建设工程总成本的1%,但在项目投资决策确定后,设计阶段对投资控制的影响程度却高达70%以上.

由于建筑产品单一性的特点,特别是不同地质条件对基础造价的影响很大,致使开发商难于确定针对每项具体工程的经济合理的限额设计指标.在进行建筑方案设计时,开发商和设计人员一般只重点关注使用功能的合理性和建筑立面的美观,而对不同建筑平面布置、不同进深与开间尺寸、不同立面形式、层高与层数等对投资的影响,很少进行考虑.在结构设计时,由于结构设计人员经济意识不强,缺乏经济技术比较手段,结构设计时间紧等原因,在结构方案的选择及结构材料选用时,往往只凭经验进行确定,很难使结构设计达到经济合理.

作者通过对多家设计单位、多项工程的结构施工图进行优化分析,在满足同样建筑功能的前提下,通过结构优化设计后,一般可比常规设计降低土建工程造价5%～10%左右.特别是对于面广量大的多层住宅开发项目,进行结构优化设计具有很好的经济价值和现实意义.

2结构优化设计的基本方法

结构优化设计是在保证建筑使用功能和建筑总体效果的前提下,通过选用合理的结构体系,优化结构布置,对结构受力进行详细计算分析,使整个结构体系既安全可靠,又经济合理.优化后的结构设计,既要满足现行结构设计规范的要求,又使结构各构件之间达到最合适的比例关系,以提高结构整体的抗震性能、抗风性能等功能.同时,优化后的结构设计必须方便施工,易于在工程实践中实施.结构优化设计一般可从下列五个方面进行.

2.1结构优化分析方法

工程结构的优化分析包括两个层次:一是结构体系的优化,主要是确定结构形式、柱网尺寸和墙体布置等；二是对结构构件进行优化,在己确定结构体系的前提下,确定构件的截面尺寸和混凝土强度等级.

在传统设计中,结构体系的确定和构件截面尺寸是凭经验检测定的,然后进行分析计算,校核是否满足规范要求,是一种被动的设计方法.优化设计也需要先进行检测设,但检测设目的不一样,所采用的分析方法也不同,优化设计需按一定的优化方法进行搜索,从而达到结构造价最优,是一种主动的设计方法.

2.2荷载精细化计算

为取得良好的优化效果,在荷载取值上要进行精细化计算.在计算墙体荷载时,应考虑实际墙体高度、长度和开洞影响,墙体高度的取值应扣除钢筋混凝土梁板的高度,墙体长度的取值应扣除钢筋混凝土墙柱的长度,并应扣除洞口面积.消防车等荷载宜按等效荷载取值.楼面活荷载按实际使用功能合理取值,并按规范规定考虑楼面活荷载的折减.正确取用抗震防护烈度、场地类别,合理确定风荷载标准值和风载体型系数,必要时可根据风洞试验确定风载体型系数.根据不同荷载组合和不同计算内容选用荷载分项系数.在进行基础设计时,当上部结构传给基础的荷载为设计值时,应将设计值转换成标准值.

2.3准确理解和使用规范

认真学习国家和当地有关设计规范,理解规范实质,并注意规范的适用范围和规范使用的配套性.如采用《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008),《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)进行桩基设计,在计算桩数时,荷载效应采用标准组合,对应的抗力采用单桩承载力特征值,在确定承台高度及配筋,验算材料强度时,荷载效应取基本组合,采用相应的分项系数,对应的抗力计算采用材料强度设计值.设计人员必须概念清晰,避免混淆.

2.4构件尺寸及配筋的合理设计

构件尺寸一般先按经验确定,然后进行强度验算.在优化设计时,应对不同构件布置方式和不同截面尺寸进行配筋计算,并作经济比较,以确定最优构件布置方式和截面尺寸.剪力墙如能合理布置,可使大部分剪力墙的配筋不是由内力控制而是构造配筋.抗震墙分加强部位和非加强部位,边缘构件分约束边缘构件和构造边缘构件,这两种边缘构件的配筋相差很大,应分别按不同的构造要求进行配筋.对于截面宽度较小的梁,配筋量较大时需放2～3排钢筋,可将梁宽适当放大,尽量布成单排,以增大梁的有效高度.跨度较大的悬臂梁,除角筋外可在跨中切断,既节省钢筋又方便施工.

2.5合理的构造设计

按构造配置的钢筋,只需满足最小配筋率要求,不必提高其配筋.较大直径钢筋优先采用焊接或机械连接,钢筋搭接和锚固长度应按规范公式进行计算,不必加长.剪力墙结构中存在部分短肢剪力墙时,不应整体提高抗震等级,只需对短肢剪力墙的抗震等级提高一级.

2.6选用高性价比材料

要降低钢筋混凝土结构的用钢量,应尽可能采用性价比高的高强度钢筋.HRB400的强度设计值比HRB335高20%,HRB335比HPB235约高43%,而不同强度等级钢筋的相差一般不超过5%.可见,性价比从高到低依次为:HRB400,HRB335,HPB235.对于配筋按强度控制的构件,直径≥12mm的钢筋应优先选用HRB400钢筋；直径<12mm的钢筋,宜选用HRB400,HRB335钢筋.

通过对受弯构件经济配筋率的计算分析可看出,当混凝土强度等级>C30时,采用HRB400比HPB235可降低20%用钢量,当混凝土强度等级等于C30时,采用HRB400比HPB235可降低7.5%用钢量,当混凝土强度等级C30时,应优先采用HRB400钢筋,而当混凝土强度等级

3推行结构优化设计存在的困难

3.1对设计的经济性缺乏考核指标

由于设计工作的特殊性和建筑产品的单一性,不同的工程有各自的特点,难于确定每个工程项目的合理经济指标,所以针对不同项目的设计成果,对设计的经济合理性缺乏明确的量化考核指标.施工图审查单位在审图时,重点是审查设计单位的资质、建设手续、设计施工图是否满足强制性条文和设计规范的要求,强调结构的安全可靠性,而对设计是否经济合理不作审查.

3.2开发商对优化设计的意识不强

开发商往往把投资控制的重点放在施工环节上,而对设计对投资影响的重要性认识不够,对设计环节控制重视不够.开发商很重视施工招标,在施工招标中,施工单位通过投标报价让利和其它优惠条件争取中标,从而使开发商的工程建造成本得到有效控制,但往往忽视了设计方案的优化会带来更大的经济效益.虽然目前已普遍实行设计招投标,但在设计招标评标时,往往过于看重设计方案的效果和设计费报价,而对设计方案的经济合理性、设计团队的设计能力、设计优化能力重视不够,同时,设计的经济合理性又很难进行界定,故难于在设计招标时对设计的经济合理性进行有效的评判,并作为选择设计单位的重要指标.

在方案设计阶段,为了获得满意的设计效果,开发商往往愿意花费较长的时间对设计方案进行反复修改,而设计方案一旦确定,对初步设计和施工图设计的时间往往抓得很紧.特别是结构设计,设计计算和绘图的工作量大,结构施工图又是最先用于施工的,出图时间很紧,结构设计人员往往要连续加班,才能满足业主的出图时间要求.在这种情况下,设计人员根本没时间进行多方案的经济技术比较.

3.3设计单位对优化设计缺乏动力

由于目前尚缺乏公平的设计市场竞争机制,设计收费是按建筑面积或按造价的一定比例计取,几乎跟投资的节约和设计质量的优劣无关,不能做到优质优价,使优化设计失去动力.由于设计是否经济合理与设计人员的利益无关,导致方案设计时只重视立面效果,追求高标准,而不重视经济分析；施工图设计时不重视结构方案的经济比较,为保险起见或为了减少计算和绘图工作量,随意放大配筋,造成投资浪费.

由于进行优化设计要付出比常规设计多得多的人力和物力,设计单位即使花费了较多的人力和物力,优化了设计方案,通过多方案经济分析,为业主节约了投资,也不能得到应有的报酬.在设计单位内部管理上,设计人员的收入一般都是与项目的设计费挂钩的,在同一项目上投入的精力越多,设计人员的收入水平必将降低,从而严重挫伤了设计人员对优化设计的积极性.

4对推进优化设计的建议

4.1从政策上鼓励优化设计

为推进优化设计工作的进行,政府主管部门在制订设计费收费标准,对设计质量进行评估,进行优秀设计评选,制订施工图设计文件审查办法等工作时,应将设计的经济合理性作为重要考核指标之一.审图公司在进行施工图设计文件审查时,除审查设计单位的资质、建设手续、设计施工图满足强制性条文和设计规范的情况等内容外,应将设计的经济合理性作为审查内容之一.政府主管部门应加强对设计市场的管理力度,严格通过资质管理、人员注册、设计招标、图纸审查等环节来规范设计市场,提高设计质量.主管部门可通过总结推广标准设计、公布合理的技术经济考核指标,推进优化设计工作.

4.2推行设计监理或设计咨询工作

提高设计质量,推进优化设计工作,仅靠政府主管部门的监控和审图公司的施工图审查还远远不够.优化设计的控制重点应在设计过程中.要加强设计过程控制,就必须推进设计监理或设计咨询工作.通过设计监理或设计咨询单位可打破设计质量靠设计单位自己控制的局面,实现通过第三方对设计过程和设计成果进行把控.

4.3结构优化设计的开展形式

结构优化设计对专业业务能力的要求很高,仅靠开发商自身的力量难于完成,需委托具有丰富的结构设计经验,在结构优化设计方面具有良好业绩的专业人员进行.开展结构优化设计可采取下列三种形式:

4.3.1从方案设计阶段开始,聘请具有丰富经验的专家作为结构优化设计顾问,在设计全过程提供结构优化的合理化建议,通过过程控制,使结构施工图设计达到经济合理.

4.3.2在初步设计图纸完成后,进行结构方案优化和构件优化,提出详细的优化后的结构方案、设计参数取值以及各构件的截面尺寸和混凝土强度等级等,与设计院沟通并在施工图设计阶段实施.

4.3.3在设计院设计施工图完成后,进行优化设计研究,提出详细的结构优化方案、设计参数取值以及各种构件的截面尺寸和混凝土强度等级等,与设计院沟通并修改结构施工图.

上述第一种形式操作较方便,不影响工期,不增加设计单位工作量,但优化效果难于评判,第二种形式不增加设计单位工作量,可对优化效果进行评判,但对工期有一定影响,第三种形式对优化经济效果可进行详细计算,但设计施工图返工工作量大,对工期影响较大.

5结构优化实例分析

台州某小区工程总建筑面积11.4万平方米,包括多层住宅、低层联排住宅和地下车库等.该工程的结构优化是建立在施工图设计的基础上,以不影响建筑使用功能为前提,同时又要确保建筑物安全和抗震能力,也就是必须满足现行的国家以及地区的行业标准.结构优化的主要内容为对该工程进行结构方案优化及各类构件的优化:结构优化的目标函数为房屋结构造价,最大限度地以低成本建造高安全度的房屋.主要优化内容如下:

多层住宅原设计采用沉管灌注桩,柱下独立桩基承台,承台之间设置基础拉梁.由于该建筑柱的轴力不大,但桩的承载力较大,优化后桩型不变,采用梁下布桩方案,可以使得布桩更加灵活.由于大部分桩均布置在墙下,故承台梁的内力不大,配筋基本接近构造配筋.

上部结构原设计为剪力墙结构,优化时对异形柱框架一剪力墙结构体系和剪力墙结构体系两种结构体系进行了分析比较,异形柱框架一剪力墙结构体系更经济.因考虑到现场实际施工进度以及设计院图纸修改工作量的问题,为不影响现场施工进度,后决定优化后上部结构仍采用剪力墙结构体系,在原结构方案的基础上对剪力墙墙肢布置和尺寸进行了调整,且在不影响建筑使用的前提下,将个别短肢剪力墙改为钢筋混凝土矩形柱.

地下车库原设计为钢筋混凝土框架结构,底板采用钢筋混凝土无梁板结构,顶板采用钢筋混凝土梁板式结构.优化设计时,对平面布置不作调整,对地下车库底板厚度和配筋、墙板配筋、顶板次梁布置和配筋进行优化.并对地下室顶板消防车活荷载取值进行优化,按消防车的轮压进行等效均布荷载的计算.地下室顶板原设计为横向布置次梁,经过优化分析比较,优化后改为纵向布置次梁.原设计地下室底板厚度5OOmm,优化后底板的厚度调整为400mm.经上述优化,扣除优化设计费用后,实际可节省造价约345万元.取得了较好的经济效益.

6结语

6.1土建结构工程建造成本在整个工程成本构成中占很大的比重,通过结构设计优化降低工程建设成本具有较大的经济价值.

6.2推进结构优化设计需要政府、开发商和设计单位统一认识,从政策和经济上给予支持.

6.3结构优化设计的三种形式,可根据项目具体情况选择应用.

6.4进行结构优化设计可有效降低多层住宅开发项目土建成本,提高经济效益.