淺談高層建筑結構設計中的經濟性控制

辛永濤  龔昱心

（陜西省建筑科學研究院 710082 西安）

    建筑設計必須遵從“適用、安全、經濟、美觀”的原則。人們一談起結構設計，往往會產生第一反應：“結構設計是否安全”，可見“安全”在結構設計中是處于何等重要地位。需要明確的是，保證結構安全確實是結構設計的首要任務，但并非是結構設計的唯一任務。必須強調的是，保證結構安全是對結構設計的最基本、最起碼的要求，隨著中國市場經濟的深入，對于一項工程的結構設計來說，除“保證安全”這一最低要求外，還有其他許多內涵豐富的要求，如建筑結構的經濟性同樣放到了至關重要的位置。

    為了使結構設計做到盡善盡美，滿足結構設計的全面要求，結構設計優化途徑的核心內容通常包括三方面：體系選型與結構布置要合理、結構計算與內力分析要正確、細部設計與構造措施要周密，三方面的工作互相呼應，缺一不行。

    從結構設計的階段性出發經濟合理的設計可分為兩個主要階段：方案階段和施工圖階段，必須指出的是方案階段的優化才是建筑結構經濟性的重要保障，不能本末倒置，舍本逐末。

    一、方案設計階段的可控因素和非可控因素的管理

    建筑師構思出的建筑平面立面雛形首先必須控制好整體建筑的長寬比和高寬比，結構工程師介入其中需要解決的問題是：根據建筑使用功能、平面尺寸、總高度以及抗風抗震要求，確定合適的結構體系和結構類型、合理的柱網尺寸、抗側力構件的合適位置和大約數量、恰當的層高以及建筑平面是否要設縫分成獨立的結構單元。在建筑功能較復雜、設防烈度高的高層或超高層建筑方案設計中更顯突出。

    對于需要考慮經濟性的建筑結構：方案階段需要避免體形過于復雜，如細腰型和蝶形建筑，高寬比控制在規范要求的范圍，并且宜控制在3~4左右;需要特別指出的是，60米和80米是結構高度兩個重要的節點，因為對于高層建筑結構的抗震等級而言，60米和80米是明顯的區分高度，抗震等級的提高對于結構的經濟性影響是非�？捎^的，如剪力墻的抗震等級為四級時，截面設計和構造要求叫其他抗震等級降低不少。經濟性設計的要求需要避免建筑方案設置轉換層，此外建筑層高也需要得到限制，同時避免設置轉角窗，因為轉角窗的設置使得結構不能布置聯肢墻從而影響結構抗扭剛度的傳遞，而角部是最有效的。

    方案階段的結構布置本質是力流的傳遞，使得構件支承和傳力關系可行合理；一般對于豎向構件墻柱而言，經濟合理的結構布置應該是使得其配筋以構造為主（高烈度地震作用特別強烈的除外），對于梁而言，梁——鋼筋直徑d≥12的宜采用HRB400級鋼筋，除了大跨度梁及轉換梁外，一般梁宜控制d≤25；經濟的配筋率應該控制：底筋ρ≤1.0%，支座負筋ρ≤1.5%；對于現行設計中不考慮參與地震計算的樓板而言，一般只考慮豎向荷載，同樣應該是以大部分樓板接近構造配筋為主，不應過大。

    二、施工圖階段采用精細化設計的要求

    首先荷載的取值要嚴格控制，不宜過大，荷載的層層加碼會導致地震作用的放大，重力荷載的加大還會大大影響基礎的設計，影響布樁的數量。

    其次高層建筑結構構件的精細化設計，結構的精細化設計就是在保證安全、符合規范的前提下，使用盡量少的結構材料（鋼筋、混凝土）。

    高層建筑結構由豎向構件——剪力墻，框架柱等；水平構件——梁、板等；細部大樣——飄板、飄窗建筑線條和女兒墻等組成，因而需要對構件進行優化設計。

    剪力墻：1、避免采用短肢剪力墻；2、墻厚的選擇一般可以選擇180mm（規范規定最小厚度為200mm的除外），墻長取為8倍的墻厚，鋼筋優選HRB400級；3、截面宜采用L形、T形截面4、墻肢主要包括邊緣構件和墻身。墻身通常為最小配筋率控制，配筋率為0.5%（豎向+水平），邊緣構件一般也宜為規范構造控制，綜合配筋率一般為1.0%～1.5%。其中邊緣構件鋼筋含量占70%左右。因此，墻肢的設計中邊緣構件是關鍵。

    框架柱：1、混凝土強度等級對于柱子的截面和配筋影響很大，等級宜取高，上限宜小于C60；2、取用合適的截面使得大部分柱子的配筋處于構造配筋；3、當某個柱子編號代表很多柱時，此柱子配筋應該嚴格控制。

    梁：1、截面的優化，根據簡化計算公式As=M/ γ0fy h0，可見梁的配筋與截面的高度和鋼筋強度等級關系密切，現階段鋼筋強度等級宜取為HRB400級，合適的梁截面高度應該使得配筋率在經驗經濟配筋率附近，即底筋在1%～1.2%，頂筋1.2%～1.5%之間；2、注意權衡梁必須配置腰筋的臨界高度h0。

    板：1、原則上樓板鋼筋采用HRB400級，混凝土規范8.5.1條注2：板類受彎構件（不包括懸臂板）的受拉鋼筋，當采用強度等級400Mpa、500Mpa的鋼筋時，其最小配筋百分率應允許采用0.15和45 ft/ fy中的較大值；2、超長結構樓板頂面鋼筋可拉通一半，間距可放寬至@200—@300；3、轉換層結構鋼筋可采用C10@170，不足的地方另外附加鋼筋；4、地下室底板可采用較小直徑的鋼筋，間距可最小至@50，梁板式底板底筋宜拉通一半，另一半采用短鋼筋，長度一般可取為相鄰跨短邊較大凈跨的1/5，理論計算一般可包絡住彎矩。

    另外，除上述上部結構的施工圖精細化設計外，還必須根據上部結構型式及場地工程地質水文條件選擇合適合理的基礎型式；如建筑物設置地下室，則必須根據場地周圍環境、基坑深度、地下水水位高低及水量多寡等條件初步確定切實可行且經濟合理的基坑開挖邊坡支護及隔水、降水方案。

    總之，結構的造價在建筑工程中占比例較大，重視結構設計中的經濟性理念，通過結構的優化設計實現建筑作品的最大經濟價值，不僅是評判建筑設計作品優劣的重要尺度，也是能否促進國民經濟合理發展的關鍵環節。目前在我國的工程設計領域中，部分設計人員因忙于應付大量的具體工作，往往不夠重視結構經濟性問題，造成不必要的浪費。因此，作為一名設計人員，我們必須嚴守“經濟、適用、合理”的原則，精心設計，力求在達到建筑設計要求的基礎上，盡可能地利用有限的資源獲得最大的效益，實現降低工程造價，取得最佳經濟效果的目的。

 (本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網絡：雷丹 尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)