浅谈结构类型对高层商住楼含钢量的影响

　　[摘要]：通过一个工程实例多个结构方案的含钢量比较，总结出一套方便简捷的方法让投资方和建筑专业设计人员在方案初期就能很好的了解结构方案对含钢量增降的影响程度，从而明确结构专业设计过程中的取舍；更进一步分析控制高层商住楼含钢量的主要因素，找寻控制含钢量的方法。
　　[关键词]：高层商住楼，结构类型，含钢量，转换层
　　1．掌握经济指标含钢量的必要性
　　随着我国房屋住宅商品化的不断发展，逐步要求设计人员进行限额设计，设计人员对建筑经济指标的关注度也不断的得到提升。房屋建筑的经济指标包括用钢量、混凝土量、土方量、砌体量、结构造价、工程总造价等。近年来，由于钢材的市场价格不断飚升，含钢量这一术语不断出现于结构设计人员的设计要求里。含钢量的高低直接影响到工程总造价的高低，导致含钢量的高低成为开放商签合同时较为关心的问题。
　　2．各类建筑的含钢量一般范围
　　文[1]及文[2]中记载了全国上百个典型建筑工程的含钢量，根据历年统计数据，汇总出各类钢筋混凝土结构的含钢量，见表1~表3。
　　住宅类混凝土结构的含钢量（Kg/㎡）表1
　　
　　混凝土结构的综合楼和商厦的含钢量（Kg/㎡）表2
　　　
　　高层混凝土结构住宅含钢量统计（Kg/㎡）表3
　　
　　3．选择代表性建筑做多个结构类型进行含钢量比较
　　表1~表3不难看出，同一结构类型的建筑，其含钢量高低有时会相差一倍之远。由于不同的地区，不同的抗震设防烈度，不同的风荷载取值，甚至不同的设计人员，不同的预算人员统计，都会影响到各类建筑的含钢量的变化幅度。甲方在询问其开发项目的含钢量的时候，不会希望听到的是一个大幅度的变化值，但在未出图之前设计人员及预算人员也不可能得知一栋建筑的具体含钢量，矛盾就形成了。但仔细想想，同一建筑用不同的结构类型其含钢量的变化梯度规律性却是可循的，找到这一规律，就能让甲方很好的判断其在建筑功能空间建筑立面与结构类型之间的取舍。于是，我们找到了一个较为规整的建筑，底层为商铺，标准层为住宅，共11+1层，平面详图一，分别进行五种较有代表性的结构类型进行设计，并按设计图纸进行含钢量计算，从中寻找规律。
　　
　　(图一)
　　3.1结构方案一
　　结构类型：框架—剪力墙结构
　　含钢量：38（Kg/㎡）
　　优缺点：住宅内部墙会出现突出墙体的柱，但因为框架部分承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%，通常框架柱的截面不会较大，当建筑总高在30~60米时，若要控制含钢量，推荐使用该结构类型。
　　3.2结构方案二
　　结构类型：框架结构
　　含钢量：41（Kg/㎡）
　　优缺点：住宅内部墙会出现突出墙体的柱，且因为框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%，通常框架柱的截面较大，当建筑总高超40米时，由于抗震等级的增加，其含钢量会随高度的增加大幅增加。
　　3.3结构方案三
　　结构类型：剪力墙结构
　　含钢量：46（Kg/㎡）
　　优缺点：住宅内部不会出现突出墙体的柱，但底层的商铺空间较差，墙肢较多较长，当建筑为纯住宅且高度在60~100米之间时，使用该结构类型较为适合。
　　3.4结构方案四
　　结构类型：异形柱结构或短肢剪力墙结构
　　含钢量：51（Kg/㎡）
　　优缺点：住宅内部不会出现突出墙体的柱，但底层的商铺空间较为不好，柱肢或墙肢较多但短。小高层或多层中常有使用这两种结构，特别是在《混凝土异型柱结构技术规程》实施以前，无规范可循，在使用上较为混乱。规程发行和实施后，经过较多实践，发现这两中结构类型含钢量较高，使用就越发减少了。但在非抗震区，小高层结构，其经济性还是可与以上几种结构相抗衡的。
　　3.5结构方案五
　　结构类型：局部框支剪力墙结构
　　含钢量：57（Kg/㎡）
　　优缺点：住宅内部不会出现突出墙体的柱，且底层的商场空间好，柱距和柱列一般较为整齐，但含钢量通常会比剪力墙结构高出20%~30%左右，较为不经济。当建筑底部使用功能为大空间的车库，商场，办公空间时就不得不使用了。
　　从以上五种结构方案的含钢量均为上部结构含钢量，不考虑地下及基础部分。对比以上五种结构方案的含钢量，不难看出，各结构类型间含钢量的增幅为8%、12%、11%、12%，而不转换与转换之间含钢量的增幅为24%。我们都知道，很多设计师声称某结构优化设计可将含钢量降幅做到30%左右，其实在结构方案上做好文章，再加以用三级筋，这个降幅不难做到，而这正是结构优化设计的关键。
　　4．降低含钢量的措施
　　4.1优化结构方案
　　优化结构方案换言之选择适合的结构类型，这是问题的关键所在，其实这一步是建筑与结构的综合体现。一个经济性较高的工程，一开始就决定在建筑的方案里面了。如建筑的总高，从《建筑抗震设计规范》表6.1.2中，有几个关键性的数字：30米，60米，80米。这是每种结构类型的抗震等级发生转变的界限，若是框架--剪力墙结构做到61米或是81米，那建筑就应想想办法控制在60米或是80米以内；再如建筑的平面，一些建筑喜欢用转角飘窗，取掉角部剪力墙或是框架柱，导致该部位要加强抗震构造措施，而且结构计算时周期比很难调过，需增加周边剪力墙和加大边梁才能解决，这又增加了造价。
　　从本文第三节可知，采用何种结构类型对工程的经济性影响较大，例如高度为40~60米间的建筑，能做框--剪结构就不要做剪力墙结构，而且要使短肢剪力墙的数量尽量减少，能做不转换的结构就不要做转换的结构，转换量应尽量减少。剪力墙应分布均匀，布置一定数量的长肢有利于降低竖向构件的配筋率。而对于高度为60~80米间的建筑，一般采用剪力墙结构就比框--剪结构来的经济了。
　　4.2地下部分及基础选型
　　基础形式的选择是具有地域性的，这就意味着设计决定基础形式前必须做大量的工作，借鉴当地地质部门及老一辈工程师的经验，更要调查施工方式是否可行。地下室及基础部分的耗资对比上部结构，总是显得是巨大的，所以采用什么样的基础形式，必须经过反复权衡，文[3]地下车库基础不同形式的经济性对比中列举了五种基础类型的综合造价比较，较为细致而全面的介绍了这一类型地下车库和基础的合理方案。
　　4.3合理的输入电算设计参数
　　目前国内使用较为普遍的电算软件SATWE，其中的分析与设计参数补充定义这一项中的各个参数该如何合理的定义，各参数的修改对结构含钢量的影响值得设计者们深入的研究。例如一次性加载和三种模拟施工加载这四种荷载计算方式所生成的配筋计算值是不一样的，对于上部结构的计算，常会用到一次性加载、模拟施工加载1或模拟施工加载3，它们所生成的配筋计算值是一次性加载<模拟施工加载1<模拟施工加载3。有的工程明明可以按一次性加载计算的但设计人员会可能选择模拟施工加载3，从而导致含钢量无谓的增加。又例如中梁刚度放大系数，总所周知在《高层建筑混凝土结构技术规程》5.2.2中规定可取1.3~2.0，我们也知道放大中梁刚度意味着边梁刚度也相应放大，对周期比和位移比是有利的，但同时放大中梁刚度也会导致两端梁柱节点弯矩按刚度分配时梁所分摊的弯矩大而柱分得小，于是强梁弱柱的机制产生，这是不合理的，也就是说我们放大梁端的负筋导致了不合理机制的产生，这钱就花得冤枉了！所以，作为设计人员，一定要熟读规范，了解每一个参数的合理取值，才能在保证安全的前提下很好的控制工程的含钢量。
　　4.4采用高强度的混凝土和HRB400级钢筋
　　结构设计当中，我们一定要充分的利用混凝土的抗压性和钢筋的抗拉性。因此，对于小高层和高层建筑的底部几层，适当的提高墙柱的混凝土强度等级，降低梁板的混凝土的强度等级，有利于降低含钢量。目前的工程设计中以较为广泛的推广HRB400级钢筋（新Ⅲ钢），新Ⅲ钢的市场价格比Ⅱ级钢较高，综合价格比为1.05。用新Ⅲ钢代替Ⅱ级钢，一般情况下可节约钢材约14%，这是最为直接而有效的降低含钢量的方式。当然，这是理论值，实际配筋时还要考虑许多构造要求，由于最小配筋率的控制，最终钢材节约量一般仅有10%中左右了。
　　5结束语
　　根据历年统计数据，我们有很多工程实例的含钢量可以借鉴，但数据都较为概括。本文用一个工程实例五种结构类型进行设计比较，得出高层商住楼常用的几种结构类型的具体含钢量及其变化幅度，并提出对控制高层商住楼含钢量较为有用的几种方法，希望对结构设计人员及房开公司的结构顾问有所帮助。
　　参考文献
　　[1]中国勘察设计协会技术经济委员会，建设部标准定额研究所。民用建筑技术经济指标[M]，北京：中国计划出版社，1996。
　　[2]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造（附实例）.中国建筑工业出版社，2008。
　　[3]李国胜，闫颖.多高层建筑基础底板的设计与构造[J].建筑结构•技术通讯，2007年1月。