淺談結構設計安全與經(jīng)濟的合理控制

1、<p>　　淺談結構設計安全與經(jīng)濟的合理控制</p><p>　　摘要：本文根據(jù)從事建筑結構設計工作經(jīng)驗，結合某工業(yè)園區(qū)建筑結構設計的一些體會，探討房屋建筑結構的安全與經(jīng)濟合理控制問題。關鍵詞：結構設計；安全經(jīng)濟；軟件應用；技術措施 </p><p>　　Abstract: in this paper, according to the architectural structu

2、re design work experience, in combination with an industrial park some experiences of building structure design, this paper discusses the structure of the housing construction safety and economic reasonable control probl

3、em. </p><p>　　Keywords: structure design; Safety economy; The software application; Technical measures </p><p>　　中圖分類號：TU318文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　1、概述 </b></p>

4、;<p>　　建筑工程是一種特殊的產品，不僅價值大、使用壽命長，而且還關系到人民的生命財產安全、健康和環(huán)境，因此如何建好這些建筑，需要匯集參建各方的智慧和辛勤工作。從結構設計角度出發(fā)，就是要盡力做到結構安全、經(jīng)濟效益和社會效益最大化，要處理好這些問題，涉及到建筑與結構方案設計、計算機軟件應用、工作經(jīng)驗和先進技術措施等問題，加強這方面工作的研究和交流，就能使結構設計越做越好。本文所談的幾點體會，僅想起到拋磚引玉的作用。 &l

5、t;/p><p>　　2、精心設計、思前顧后 </p><p>　　最佳的結構設計不光是結構自身方面的工作要做好，還和建筑方案密切相關。結構設計不宜待建筑方案確定后才介入，應該思前顧后，在建筑方案階段就要考慮梁、板、柱如何布置，構件截面如何選擇，基礎采用何種類型等，否則就會容易出現(xiàn)不合理的結構設計，從而造成房屋建筑安全度低、造價高的結果。為做好建筑結構設計，主要應做到以下幾方面： </p

6、><p>　?。?）對較大的工程項目應提出進行初步巖土勘察要求，為結構設計提供科學依據(jù)。 </p><p>　?。?）積極參與建筑方案研討，注重把合理的結構體系融入到建筑方案中。合理的結構體系體現(xiàn)在：直接而明確的傳力途徑，整體穩(wěn)定性較好的結構，局部破壞不致引起倒塌的“多米諾骨牌效應”，關鍵部位有較強的抗力。結合某工業(yè)園區(qū)宿舍設計案例，根據(jù)初步巖土勘察報告，該場地樁長要在24米至26米范圍，估算

7、單樁豎向承載力設計值為1800KN～2000KN，考慮樁長較長，如果樁基的滿載率不高，樁數(shù)會增多，承臺工程量隨之加大，工程造價會大幅度提高。另一方面為了使基礎設計更合理、安全度更高，設計希望每根柱子底下都能形成兩樁以上的多樁承臺基礎，盡量避免單柱單樁基礎，以防單樁質量有問題或地震等偶然因素造成基礎破壞并引發(fā)上部結構嚴重破壞。為此按照預先估算的單樁豎向承載力，把員工宿舍樓的柱距定在6米～7.2米左右，這就確保每根柱下都有兩樁以上的樁基礎；

8、對上部結構體系則盡量要求建筑設計成兩跨以上且正交的柱網(wǎng)，每榀抗側力框架結構柱盡可能在同一平面內，達到傳力明確、結構穩(wěn)定性好的目的。經(jīng)驗表明，結構體系如出現(xiàn)梁一端與柱聯(lián)結另一端與梁聯(lián)結的半框架或抗側力結構柱、墻不在同一平面內，不但受力不好，造價也會提高，這在抗震設防烈度較高的地</p><p>　?。?）結構細部構造應與建筑工種密切配合，在這方面應盡量避免出現(xiàn)短柱(包括錯層短柱和窗洞邊形成的短柱)、高大懸墻等耗材大

9、又對抗震極其不利的結構構件。 </p><p>　?。?）實施設計質量全面管理，劃分宿舍、廠房、食堂、公建等不同建筑采用不同結構類別，制定結構設計統(tǒng)一技術規(guī)定，優(yōu)選設計參數(shù)，把研究出來的一些新技術、好措施落實到每一個單位工程，實踐證明在這一方面所獲得的經(jīng)濟效益不可忽視。 </p><p>　?。?）各設計專業(yè)互相配合，指導設計人員的每個階段設計工作，并對各階段設計進行中間檢查、認真審核，使

10、參與設計工作的設計者都能設計出質量高的施工圖紙。 </p><p>　　3、結構設計軟件應用應注意的問題《砼結構設計規(guī)范》第5.1.6條規(guī)定：“對電算結果，應經(jīng)判斷和校核；在確認其合理有效后方可用于工程設計”。確認合理與有效，就意味著確認安全與經(jīng)濟，這條規(guī)定對長期從事結構軟件應用的設計者體會是最深刻的，需要注意的問題很多。例如，有的問題是軟件本身的缺陷，有的問題是軟件中看似“不起眼”的規(guī)定，如不注意執(zhí)行就會犯大錯

11、誤，還有軟件的力學模型、基本假定是否適合你的結構體系等等，這些問題都是在設計過程要加以注意的，但往往這些問題被有些設計人員所忽視。下面例舉幾個常見且對建筑結構安全與經(jīng)濟影響較大的軟件應用問題。 </p><p>　　（1）帶柱間挑梁的越層框架柱（復式框架），有的電算軟件無法辨認越層柱，柱計算長度會出錯，例如某工程一層層高為4米，二層以上層高為3.3米，越層柱柱1由于存在走廊單挑挑梁致使軟件無法判定柱1為越層柱，確

12、定柱1的Y向柱計算長度系數(shù)仍分別按一層4米和二層3.3米為依據(jù)，實際應進行人工干預，改為4+3.3＝7.3米做為柱計算長度系數(shù)的計算依據(jù)，否則，兩者計算配筋誤差相當大。另外，柱計算長度系數(shù)人工更改后，不能再執(zhí)行軟件的數(shù)據(jù)檢查，否則等于沒修改。 </p><p>　?。?）軟件SATWE已注明，柱底最大軸力平面數(shù)據(jù)不能作為基礎設計依據(jù)，應用JCCAD軟件的數(shù)據(jù)，但有的設計者仍然引用SATWE的數(shù)據(jù)去設計基礎，設計基

13、礎需要多組柱底內力組合，萬一數(shù)據(jù)誤差太大，就會造成整幢房屋存在安全隱患。 </p><p>　　（3）用SATWE軟件設計人防地下室，應輸入活荷載，軟件才會考慮人防荷載參與組合，有的設計者沒注意到這個規(guī)定，結果嚴重錯誤；有的設計者沒使用有人防計算功能的軟件，設計時沒有考慮材料強度提高系數(shù)等因素，設計結果，水泥、鋼筋浪費太大，很不經(jīng)濟。 </p><p>　?。?）SATWE軟件體系在算有抬

14、柱子的梁或者是等截面高的交叉梁系、井字梁，經(jīng)常會出現(xiàn)梁跨數(shù)標注錯誤，即把被抬的柱子當成支座，使原為一跨的梁被分成兩跨，或者一跨的梁被交叉梁分為若干跨。由于這些梁－跨被誤認為若干跨，造成梁同一跨內鋼筋直徑不同、根數(shù)不同等影響安全的異常問題，這些問題都應在出施工圖之前重點核對，認真調整。 </p><p>　　(5)現(xiàn)行結構設計軟件有許多要用戶輸入的計算參數(shù)，這些參數(shù)有的是軟件給出默認數(shù)值，設計時應認真分析這些默認數(shù)

15、值在技術上、構造上是否合理可靠，采用不合適的參數(shù)，有時造成的后果也是很嚴重的。例如，基礎軟件JCCAD中的基床反力系數(shù)K，它的物理意義為：單位面積地表面上引起單位下沉所需施加的力，反映的是地基剛度的大小，它與土的類型、基礎寬度和埋深、基礎的剛度等因素有關，可能變動于幾MN/m3到幾百MN/m3之間?？上攵?，對軟件中默認值不進行修改，設計的基礎肯定會存在不安全或不經(jīng)濟的問題，這也說明軟件應用還應具備扎實的專業(yè)理論知識。 </p&g

16、t;<p>　　(6)在結構設計時，對SATWE軟件菜單的使用要進行認真分析。軟件中加載方式有三種，即一次性加載、模擬施工方法1加載、模擬施工方法2加載。一次性加載計算，主要用于多層結構，因為施工的層層找平對多層結構的豎向變位影響很小，所以不要采用模擬施工方法計算。對于高層結構，一般都采用模擬施工方法1加載計算，但是對于“框剪結構”，采用這種方法計算在導給基礎的內力中剪力墻下的內力特別大，使得其下面的基礎難于設計。于是就有

17、了模擬施工方法2加載，這是在“模擬施工方法1”的基礎上將豎向構件（柱、墻）的剛度增大10倍再進行結構的內力計算，采用這種方法計算在導給基礎的內力比較均勻合理，可以避免墻的軸力遠遠大于柱的軸力的不合理情況。但是這種方法人為的擴大了豎向構件與水平構件的線剛度比，所以它的計算方式值得探討。專家建議，在進行上部結構計算時采用“模擬施工方法1”；在基礎計算時采用“模擬施工方法2”的計算結果，這樣得出的基礎結果比較合理。 </p>&

18、lt;p>　　4、建筑結構安全與經(jīng)濟的技術措施 </p><p>　　(1)材料選用與要求 </p><p>　　建筑結構的安全和經(jīng)濟還與建筑材料選用有關，特別在設計一些大跨度或荷載較重的結構時尤其突出。例如，驗算型鋼梁與型鋼柱連接節(jié)點時就發(fā)現(xiàn)，不能光靠加大型鋼柱截面來滿足要求，而只要在節(jié)點加帖加強鋼板來滿足計算要求，這樣做有兩個優(yōu)點：第一能節(jié)省鋼材，第二能避免采用厚度大于20mm的

19、鋼板，太厚的鋼板焊接前要預加熱，施工工藝麻煩，受力后還存在鋼板被撕裂的危險，因此對鋼板材質要求較高，甚至要用特種鋼材，造價也很高。建筑結構的主要材料是砼和鋼筋：通常情況下，混凝土受彎構件采用C20～C30、受壓構件采用C25～C40、預應力構件采用C40最為合適，材料性價比較高；主導鋼筋采用HRB400（III）級及HRB335（II）級鋼筋，材料性價比較高。 </p><p>　　(2)電算與人工結合配置鋼筋

20、</p><p>　　結構設計軟件自動生成的梁、板、墻和柱配筋在一定程度上存在著某些不合理部位。例如，有的次梁箍筋面積計算值才2mm2，按構造要求最多配Φ6@200箍筋，可自動生成的箍筋為Φ10@200，配筋偏多，類似這種情況都要人工調整；有的是軟件還不具備的功能，例如，規(guī)范統(tǒng)一規(guī)定梁面第一排鋼筋斷點為Ln，第二排為Ln，實際上，有些梁就不需要這么長的鋼筋，設計時可結合手工畫材料包絡圖來確定鋼筋斷點，用這個辦法可

21、省很多鋼筋。另外，規(guī)范規(guī)定Ln為相鄰跨凈距，連續(xù)梁中某跨跨度較小時，該跨梁面鋼筋與相鄰大跨梁面鋼筋應貫通，減少鋼筋斷點，這些都需要人工編輯。 </p><p>　　總之，結構設計不要怕麻煩，要想方設法采用一些好的技術措施把一些計算和構造要求不需要的鋼筋省下來。 </p><p>　　(3)多種方案比較、現(xiàn)場試驗某工業(yè)園區(qū)大部分區(qū)域土層分布從上而下為：素填土（1）、淤泥質土（2）、圓礫（3）

22、、淤泥質土（4）、中細砂土（5）、全風化土（6）、強風化土（7）、中風化土（8）。 </p><p>　　如采用淺基礎，持力層選在第3圓礫層，該層厚薄不一，薄的1.5米左右，厚的達2.1米左右，下臥層計算不能滿足規(guī)范要求；如采用沖(鉆)孔灌注樁，造價又很高；如采用錘擊式高強預應力管樁，噪音污染大，且單樁承載力不好控制；如采用靜壓式高強預應力管樁，擔心靜壓沉樁穿越圓礫層有困難，但該方案造價低、質量好?？紤]到樁基工程

23、對建筑結構安全和經(jīng)濟影響很大，經(jīng)研究選用第7土層即強風化層為持力層，在現(xiàn)場做靜壓沉管試驗，檢驗施工工藝及基樁承載力是否滿足設計要求，結果令人滿意。后經(jīng)大面積施工，整個施工過程也比較順利，單樁垂直承載力和樁身質量都能滿足設計要求。 </p><p>　　(4)結構體系應避免存在多余構件 </p><p>　　結構設計應避免畫蛇添足，即結構體系存在沒用的梁、柱或抗震墻等多余構件，這些構件不但增

24、加房屋造價，而且有可能使結構傳力不明確。 </p><p>　　對樓(屋)面板及地下室頂(底)板，當某一板塊預估可按構造配鋼筋或在最佳配筋率范圍時，如無他用千萬別在這板塊中加次梁。工程設計中，確定樓(屋)面板厚度是先和電氣工程師溝通，保證電氣管線上、下有大于三分之一板厚的砼保護層厚度，然后結合建筑使用功能和荷載大小布置必要的梁系，忽略這個問題有時會造成極大浪費。例如，某工程地下室底板厚度為300mm，板跨度雙向大

25、部分不大于6米，按計算已是構造配筋，但設計者還在板中加了十字交叉次梁，后經(jīng)審圖建議，取消十字交叉次梁，既為業(yè)主節(jié)省造價，又使結構布置簡潔、傳力明確。 </p><p>　　在這里要強調一點，國家規(guī)范是設計標準的最低要求，設計者在設計一些特殊結構和復雜結構時，除了要正確應用一些優(yōu)秀軟件進行內力分析，還應注意構造處理的可靠性，實際上在地震作用下，通過理論計算結果不可能是十分準確的，要保證安全還要靠概念設計，“三分計算

26、七分構造”已成為結構設計者的共識，某些地方要突破規(guī)范的約束，關鍵部位“多用”點鋼筋會得到四兩頂千斤的效果。汶川地震也證明了構造措施得當是實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的重要設計環(huán)節(jié)。 </p><p><b>　　5、結束語 </b></p><p>　　建筑結構設計責任重于泰山，結構設計的過程是一個處理建筑結構安全與經(jīng)濟的過程，設計者在技術上要精益求精，不要一

27、意注重安全使房屋造價偏高，造成不必要的浪費，更不能一意追求經(jīng)濟而不注意建筑結構的安全。總之，要設計出安全度較高且造價低的建筑結構，應在建筑結構體系、軟件應用以及采用一些先進技術措施等方面多做點工作。實踐證明只要肯努力，對一個較大的工程項目在保證安全度較高的前提下，要節(jié)約幾十萬元或幾百萬元造價并不是不可能的。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p&

28、gt;　?。?］中國建筑科學研究院PMPK系列軟件用戶手冊 </p><p>　　［2］混凝土結構設計規(guī)范GB50010-2002 </p><p>　?。?］高層建筑混凝土結構技術規(guī)程J186-2002 </p><p>　　［4］建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2001 </p><p>　?。?］建筑樁基技術規(guī)范JGJ94-2008 &