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建筑结构含钢量的控制措施研究

万建军
【摘要】从自然条件、结构体系、荷载取值、建筑外围装饰材料等方面阐述了影响建筑结构用钢量的因素，对控制用钢量的一些措施进行了探讨，提出了优化设计方案、合理布置结构、尽量采用Ⅲ级钢等策略。
【关键词】建筑结构，用钢量，设计，钢筋
引文：现如今建设单位出于对成本控制的考虑，往往对设计单位都有"限额设计"的要求。所谓限额设计，通俗而言，就是不超出预期的投资额，完成对工程项目的设计任务。在建筑结构的整体造价中（不含工艺设备），土建工程造价占据绝大部分，而在各类工程材料中，尤以钢材价格为最贵，所以建筑结构用钢量是控制成本的一个重要方面。如何在结构设计中有效地控制用钢量，需要我们首先研究影响用钢量的各种因素。
1.影响用钢量的因素
1.1自然条件
建筑物所处的地区不同，作用在建筑物上的外力也不同，这些外力包括地震作用、风荷载等。处于抗震设防烈度高或风荷载较大的地区，建筑结构的含钢量必然就高，反之相反。处于气候环境恶劣，昼夜温差极大的地区，为抵抗温度应力而配置抗拉性能优良的钢筋，必会造成结构含钢量的上升。对各类建筑场地类别，如场地土质差，浅层土承载力低，不得不选用桩基础或较厚的钢筋混凝土筏板基础，含钢量也会随之上升；如地基承载力较高时，基础可以采用浅基础或基础所需底面积小时，钢筋用量必然会少一些。
1.2结构体系和方案的选择
针对各类不同的结构体系和方案，设计师根据其不同的工作机理，在满足结构安全的情况下，采用经济合理的结构体系和方案。
1.3建筑平面、立面布置及造型
方案设计师过于追求造型复杂、标新立异的建筑，造成建筑结构的平面、立面的不规则。这类建筑进行地震作用和内力计算时，针对其薄弱部位，需采取有效构造措施来保证安全，这必会造成用钢量的增加。此外，整个建筑的立面造型过于复杂，这不仅对结构安全及抗震性没有益处，反而会造成钢筋用量的增加。
1.4荷载取值
设计师在建模过程中，荷载取值应和实际情况相吻合，不能随意更改。荷载数值与用钢量为倍数关系，故荷载取值偏大，势必会造成用钢量增大。
1.5混凝土强度等级和钢筋强度等级
规范规定，对梁板其最小配筋率，由公式可得出，在最小配筋率大于0.2%时，混凝土强度等级与最小配筋率呈线性关系，故混凝土强度等级越高，配筋率越大，耗费钢筋越多。所以，在满足该规范前提下，混凝土强度不宜選得过高。目前钢筋材料常选HPB235，HRB335及HRB400这三种。设计中选用较高等级的钢筋，能有效的降低结构的含钢量，同时节省造价。现在使用较高等级的钢筋是一种趋势。
1.6结构构造
具有丰富经验的结构设计师在设计过程中，通过把握整体概念设计，在保证结构安全的情况下，能合理控制结构构造，从而降低结构含钢量。
1.7建筑外围装饰材料
建筑外围装饰材料尽量选用轻型材料。目前市场上建筑装饰材料种类繁多，设计过程中，尽量选用重量轻的材料，重量轻，意味着结构整体受力小，地震作用减小，结构总重量也轻，基础所受压力相应也减小，从而可降低基础的配筋。
2.控制用钢量的措施
2.1优化设计方案
过去以往经验表明，结构设计师参与方案设计的时间往往偏后，通常是在建筑方案已经基本敲定，很多大的方向已经确定的情况下才参与进来，这导致结构设计师处于极为被动的地位。受控于设计周期的限制，对方案中不合理的布置进行调整往往来不及，所以明知方案有缺陷也只能勉强为之，导致设计结果很不经济，甚至有安全隐患。
大量的工程实践都表明，对体型复杂、平面立面不规则的高层建筑结构，设计师为了满足规范对此类结构采用了多种加强措施，这会导致用钢量大幅上升，造成极大浪费。结构设计师在方案初始阶段就应该积极介入，给方案设计人员提出结构规范的限制，尽量选用体型简单、平面立面对称、形心和刚心重合的结构，简单对称的结构在地震中不易被损坏，这类结构用钢量要大大节省。方案阶段的设计要求一般有以下几点。
2.1.1建筑物的体型规整
结构整体的层高不宜相差过大；竖向侧向刚度宜沿高度整体均匀变化，不宜出现突变，层间刚度突变需布置抗侧力构件，这会造成用钢量加大。
2.1.2建筑平面布置力求方正规则
建筑结构的平面规则性包含很多方面，主要有平面长宽比、楼板开洞尺寸过大、平面布置出现凹凸等等。若这些指标有超出规范或超限的，将会对含钢量控制带来困难。
2.1.3立面上少作一些复杂造型
现代建筑为了追求独特，在立面上往往做一些复杂的造型，这些造型耗费钢筋量大，且增加整体结构的重量，对抗震没有帮助，故需尽量减少这些类型。建议方案设计师通过简化造型、丰富配色或二次设计一些钢结构网架来实现建筑物的美感和新颖。
2.2合理的结构布置
2.2.1合理选择结构体系
结构设计师应优先选用抗震、抗风性好的结构体系。结构体系的不规则往往会造成更多、更复杂的荷载传递关系以及更明显的刚度突变等一系列不利后果。合理选择结构体系对减少用钢量有很大帮助。
2.2.2合理布置柱网尺寸
结构设计师要根据经验合理布置柱网尺寸，柱网尺寸的均匀可使梁、柱、板受力更合理，计算配筋减少，从而降低结构用钢量。
2.2.3抗侧力构件的位置要合理
抗侧力构件尽量布置在整体结构的边缘位置，同时要使结构的刚度中心和质量中心相靠近。这样做的目的是可以降低抗侧力构件的数量，同时控制结构的抗扭效应，可以减少结构的用钢量。
2.3采用合理的基础形式
基础是整个结构的重要组成部分，其造价也占整体工程造价的很大一部分。钢筋混凝土基础由于其工程量大，耗时长，所以应仔细斟酌选用哪一种形式。首先尽量选用浅基础，其次若采用桩基础，则是求短不求长，最后，采用加固软土地基新技术可以避免使用桩基础，这些都会降低结构用钢量
2.4尽量采用Ⅲ级钢
Ⅲ级钢与Ⅱ级钢强度设计值之比为360/300=1.2，Ⅲ级钢市场价格略高于Ⅱ级钢，价格比约为1.05，如果将强度低的Ⅱ级钢换成强度较高的Ⅲ级钢，那么可节约钢材1.2/1.05-1=14%。这是降低含钢量最直接的措施。同理，将Ⅲ级钢替换Ⅱ级钢，将Ⅱ级钢替换Ⅰ级钢，都会节约钢材用量。
2.5采用新型楼盖
在建筑结构整体造价中，楼盖体系的造价能达到1/10甚至更多。楼盖体系是建筑结构的基本构成部分，其重量能达到整体重量的22%左右。选择整体性优越、刚度大、质量轻并便于施工的楼盖体系，能有效降低建筑结构的重量，减轻基础的负担，改善整个结构的力学性能。通过选择合适的楼盖体系能大大减少结构用钢量。
2.6施工图要做到准确清晰
不同的结构设计人员，由于工作经验以及对设计的理解的差异，对同一类建筑，往往有各自的设计方案，故含钢量肯定也相距甚远。此外，施工单位技术力量不足，对图纸理解有偏差也能造成施工过程中的各种浪费。这就需要设计人员对图纸精雕细琢，表达准确清晰。
3.结语
为满足建设单位降低造价的要求，结构设计师在方案初始阶段就应该参与进去，掌握主动权。对建筑师提出的各类方案，结构设计师应利用专业知识，多角度提出合理的建议。在之后的施工图阶段，对各类构件进行精细化设计，从而能在全方位降低结构的含钢量，尽最大努力做到经济又合理。
参考文献：
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