1、浅谈建筑结构设计中的用钢量控制摘要：建筑物单位面积用钢量是投资方关注的一个重要技术指标，结构设计在保证结构安全并满足设计规范构造要求的前提下，如何实现用降低用钢量，本文将给予全方位的分析，希望有助于设计人员加强结构概念设计并提高设计技术水平，树立重视技术经济指标意识。 关键词：建筑；结构设计；用钢量；控制 中图分类号： TU318 文献标识码： A 引言：在整个工程造价中，结构工程的造价占整个建筑工程造价的30-60%,结构设计是否经济合理是决定工程建筑项目的投资效益的主要环节之一结构设计中在保证结构安全、各项配筋构造符合设计规范要求的前提下，如何减少用钢量，或者说如何使单位面积用钢量处于一个
2、合理水准上，不仅是设计者的职责，而且是衡量设计单位技术水平和市场竞争力高低的重要标志。在签署委托设计合同时，内行的投资方往往提出对用钢量的限制条款，俗称“限额”设计，笔者认为一个设计作品“含钢量”的多少，往往建筑本身决定的，结构设计师的所能做的是通过专业知识对建筑的布置合理的优化，减少结构用钢量 1.合理的建筑方案设计 设计阶段是决定建设项目投资控制效果的关键阶段。在方案设计阶段,结构设计工程师应尽早参与到方案设计中去,实际上就是从结构专业的角度与建筑设计人员和甲方进行沟通、交流。从方案设计开始就要在平面布置、立面造型、柱网尺寸等方面提出结构设计工程师的建议和要求,以求在后期的施工图设计中为降
3、低结构用钢量掌握主动权。方案设计应该控制以下要点: 1.1 建筑平面布置上力求方正规则。尽量避免出现平面不规则，,这就可以少布置或不需要布置抗扭构件来降低钢筋的使用量;控制平面长宽比。平面长宽比较大的建筑物,由于两主轴方向的整体刚度相差甚远,在水平力作用下,两向构件受力的不均匀性造成配筋不均,增加钢筋用量。 1.2 建筑物的体型简单规整控制高宽比。结构的侧向刚度和水平承载力沿高度宜均匀变化,层高相差不要太大,避免因为层间刚度比不满足规范要求而增加抗侧力构件,从而提高钢筋用量。控制高宽比，立面的高宽比控制目的在于对高层建筑结构刚度，整体稳定，承载能力和和经济合理性的宏观控制 1.3 立面上尽量少
4、作一些通过钢筋累积起来的复杂构架、外凸较大的线条大样等对抗震及提高承载力没有任何帮助而只会提高钢筋用量的构件，建议建筑通过配色或者简约的线条来实现建筑物的美观。 2.结构布置合理 2.1 结构选型。应根据建筑平面布置、竖向布置和使用功能要求合理选择结构体系。比较过某工程采用一托一的框架托层结构的用钢量比采用二层的框架结构要大,这是因为针对框架托层结构的底框部分建筑抗震设计规范规定有许多的构造要求及计算要求,而上面只是托一层的砖混结构,相对来说做框架托层的经济性就不如做两层框架。由此可见,合理的结构体系对后期的施工图设计减少钢筋的用钢量有很大的帮助。 2.2 柱网尺寸布置和楼盖结构体系选择要合理
5、。柱网大则楼盖用钢量增多,柱网小则柱子构件的用钢量增加,这需要结构工程师根据建筑的功能要求和经验合理布置柱网。可以通过多方案对比，综合分析出楼盖的最优含钢量分析梁板和柱网尺寸,可以使柱、梁、板构件的受力合理,从而降低构件的用钢量。 2.3 抗侧力构件的位置要合理。抗侧力构件应布置在结构的周边位置,并尽量使结构的刚度中心与质量中心相靠近。这样可以减少抗侧力构件的数量和结构的抗扭效应,可以使整体结构的用钢量降下来。 2.4 梁跨高比和板的跨厚比要合理当梁按位移控制时(梁的剪跨比，正截面和斜截面强度及正常使用权限状态下的裂缝宽度等满足规范要求时)梁的跨度 1/8-1/12 可放松，在梁布置时，当次梁
6、的荷载较小时（把隔墙荷载等效为板面荷载,其计算结果也是构造配筋） ，可不必墙下都布置次梁。当板跨小、布梁多时使用钢量肯定会增多,而且可能使楼面荷载多次传递,造成受力不合理。连续双向板的跨厚比实质是挠度的计算问题在满足强度和变形的条件下，合理选用双向板的跨厚比 3.影响用钢量的宏观控制 影响建筑物结构用钢量的宏观因素，主要是指控制结构整体性的指标，在 PKPM 分析计算过程中，结果反映在位移比、层间最大位移与层高之比、周期比、刚度比、层间受剪承载力比、剪重比、刚重比和框架的倾覆力矩比的计算。举个简单的例子，我们在教科书上的结构都是我们俗话所说的“火柴盒”其使用功能单一，立面简单，柱网整齐，结构规
7、则整齐，传力途径明确，很明显那是为了教学，简化的结构，这样的结构作为规则的结构，配筋将是最小的；现在建筑功能复杂，立面变化装饰变化多样，所有诸多因素，造成结构变化影响结构的不规则，各类结构不规则，在设计规范中都有相关的判别计算方法，并给出了相关的加强措施，所谓加强措施，即各类结构不规则性的代价，这些代价或是加强结构构件，或是影响部分建筑功能（如设缝等）方法较多，不足而一，简单的概括可以理解为，所有的结构不规则性都是结构为适应建筑而产生，而为解决结构的不规则性对建筑产生的不利影响，必然是有代价的，这个代价当然也包含用钢梁的增加，造价的提高。作为设计人员应根据建筑的不规则性，作出判别并采取有针对性
8、的加强，避免薄弱部位过早的破坏，导致结构破坏而对生命财产造成巨大的损失。 影响用钢量的宏观控制主要体现在以下几个方面： （1）平面形状：若平面较规则、凹凸少则用钢量就少，反之则较多，每层面积相同或相近而外墙长度越大的建筑，其用钢量也就越多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且还可衡量结构抗震性能的优劣，从这点上分析得知用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。 （2）竖向布置：这是指竖向体型的规则性和均匀性，即外挑或内收程度以及竖向刚度有否突变等。如侧向刚度从下到上逐渐均匀变化，则其用钢量就较少，否则将增多，较典型的有竖向刚度突变的设转换层的高层建筑。 （3）抗侧力构件位置和多少及竖向连续性
9、。刚度中心与质量中心相重合或靠近，或者抗侧力构件所在位置能产生较大的抗扭刚度，结构的抗扭效应小，因而结构整体用钢量就少，反之则多。在框架-剪力墙结构设计中由于剪力墙的布置不合理，形心与质量中心偏离大，造成结构扭转效应严重，对于结构的整体抗扭能力一般较难通过材料来解决，必要的时候只能通过调整结构布置解决；抗侧力构件的多少是结构的侧向刚度的直接体现，与剪重比，刚重比密切相关；抗侧力构件的竖向连续性则反映在层间刚度比。 以上三个方面直接反映在位移比，层间位移角和周期比的计算数值上，合理的结果要满足规范要求，其数值不宜超过大多，以利控制含钢量，节约成本。 （4）其他由于建筑要求而出现的竖向构件的转换，
10、大的错层、跃层等结构，由于其受力的复杂性以及截面较大，用钢量一般比正常结构要多。 （5）竖向高宽比、平面长宽比、平面长度尺寸、 柱网尺寸、 层高等因素也会对用钢量产生影响，但这些往往是由于建筑本身的要求决定，建筑师一般都会注意这些问题。 在设计中许多年轻的设计人员一看到结构超筋信息，就认为是构件断面小，不能满足强度要求，想只要通过增加构件断面就能解决超筋的问题，结果是经过调整，解决了这边超筋的问题，那边又超筋了，有的是越调整结果越差，这时候最能看的出设计人员的设计概念，首先我们应当仔细分析超筋信息究竟是什么指标超限，现在进入计算机辅助设计的时代，结构也越来越复杂，结构设计更加注重概念设计，许多
11、时候计算超限并不一定是构件强度不足，而是因为结构平面或竖向不规则，所引起的应力集中，导致的产生薄弱部位，按照结构设计的基本概念需要仔细分析，采取有针对性的措施，能够得到比较理想的结果。 4.影响用钢量的其它因素 结构用钢量的多少还与建筑物抗震等级、构造要求及梁的通长梁与架立筋的合理选用等有关。相同的建筑物，设计 8 度抗震的肯定比 7 度抗震的用钢量多，这是不言而喻的，因此比较用钢量时应在相等或相近的条件下进行，否则将无法得出准确答案。即使抗震烈度相同，相同类型的建筑物所处的场地情况和基础型式不同，其用钢量也有相当大的差别。当场地地质条件较好时，其基础用钢量就很少。因此，在比较建筑物单位面积用
12、钢量时，必须将地下结构与地上结构分别计算，否则将得不出实质性的结论。通过笔者统计普通的民用建筑的上部结构含钢量会在一个相对稳定的范围，当含钢梁偏离正常范围的 1.3 倍以上应仔细分析含钢量偏离较大的原因。 5.结语 钢筋混凝土结构设计中要做到节省用钢量，对结构工程师而言，就必须全方位考虑，宏观上给予定性掌握，微观上给予定量控制。首先，结构方案布置和勾结案截面选择阶段，在满足结构和构件受力变形合理的前提下要有利于节约用钢量；其次在构件具体配筋阶段，在满足规范对构件的配筋构造要求前提下，科学合理地对钢筋规格作出选择，以达到节省用钢量为目标。 参考文献： 1谭泽先.建筑结构含钢量的研究J.建筑科学,2007(23)9:44-47. 2黄朱功.结构设计过程中的含钢量控制J.企业科技与发展,2009(262)16:108-109. 3杨星.Pkpm 结构设计软件从入门到精通。2012.10 4周献祥.结构设计笔记。2008.4 5朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析 JGJ3-2010.2012.8 6高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010. 7建筑抗震设计规范 GB50011-2010.
