摘要：本文根据从事建筑结构设计工作经验，结合某工业园区建筑结构设计的一些体会，探讨房屋建筑结构的安全与经济合理控制问题。
关键词：结构设计；安全经济；软件应用；技术措施
1、概述
建筑工程是一种特殊的产品，不仅价值大、使用寿命长，而且还关系到人民的生命财产安全、健康和环境，因此如何建好这些建筑，需要汇集参建各方的智慧和辛勤工作。从结构设计角度出发，就是要尽力做到结构安全、经济效益和社会效益最大化，要处理好这些问题，涉及到建筑与结构方案设计、计算机软件应用、工作经验和先进技术措施等问题，加强这方面工作的研究和交流，就能使结构设计越做越好。本文所谈的几点体会，仅想起到抛砖引玉的作用。
2、精心设计、思前顾后
最佳的结构设计不光是结构自身方面的工作要做好，还和建筑方案密切相关，结构设计不宜待建筑方案确定后才介入，应该思前顾后，在建筑方案阶段就要考虑梁、板、柱如何布置，构件截面如何选择，基础采用何种类型等，否则，容易出现不合理的结构设计，从而造成房屋建筑安全度低、造价高的结果，为做好建筑结构设计，主要应做到以下几方面：
（1）对较大的工程项目应提出进行初步岩土勘察要求，为结构设计提供科学依据。
（2）积极参与建筑方案研讨，注重把合理的结构体系融入到建筑方案中。合理的结构体系体现在：直接而明确的传力途径，整体稳定性较好的结构，局部破坏不致引起倒塌的“多米诺骨牌效应”，关键部位有较强的抗力。结合某工业园区宿舍设计案例，根据初步岩土勘察报告，该场地桩长要在24米至26米范围，估算单桩竖向承载力设计值为1800KN～2000KN，考虑桩长较长，如果桩基的满载率不高，桩数会增多，承台工程量随之加大，工程造价会大幅度提高。另一方面为了使基础设计更合理、安全度更高，设计希望每根柱子底下都能形成两桩以上的多桩承台基础，尽量避免单柱单桩基础，以防单桩质量有问题或地震等偶然因素造成基础破坏并引发上部结构严重破坏。为此按照预先估算的单桩竖向承载力，把员工宿舍楼的柱距定在6米～7.2米左右，这就确保每根柱下都有两桩以上的桩基础；对上部结构体系则尽量要求建筑设计成两跨以上且正交的柱网，每榀抗侧力框架结构柱尽可能在同一平面内，达到传力明确、结构稳定性好的目的。经验表明，结构体系如出现梁一端与柱联结另一端与梁联结的半框架或抗侧力结构柱、墙不在同一平面内，不但受力不好，造价也会提高，这在抗震设防烈度较高的地区尤其突出。
（3）结构细部构造应与建筑工种密切配合，在这方面应尽量避免出现短柱(包括错层短柱和窗洞边形成的短柱)、高大悬墙等耗材大又对抗震极其不利的结构构件。
（4）实施设计质量全面管理，划分宿舍、厂房、食堂、公建等不同建筑采用不同结构类别，制定结构设计统一技术规定，优选设计参数，把研究出来的一些新技术、好措施落实到每一个单位工程，实践证明在这一方面所获得的经济效益不可忽视。
（5）各设计专业互相配合，指导设计人员的每个阶段设计工作，并对各阶段设计进行中间检查、认真审核，使参与设计工作的设计者都能设计出质量高的施工图纸。
3、结构设计软件应用应注意的问题
《砼结构设计规范》第5.1.6条规定：“对电算结果，应经判断和校核；在确认其合理有效后方可用于工程设计”。确认合理与有效，就意味着确认安全与经济，这条规定对长期从事结构软件应用的设计者体会是最深刻的，需要注意的问题很多。例如，有的问题是软件本身的缺陷，有的问题是软件中看似“不起眼”的规定，如不注意执行就会犯大错误，还有软件的力学模型、基本假定是否适合你的结构体系等等，这些问题都是在设计过程要加以注意的，但往往这些问题被有些设计人员所忽视。下面例举几个常见且对建筑结构安全与经济影响较大的软件应用问题。
（1）带柱间挑梁的越层框架柱（复式框架），有的电算软件无法辨认越层柱，柱计算长度会出错，如图1和图2所示：该工程一层层高为4米，二层以上层高为3.3米，越层柱柱1由于存在走廊单挑挑梁致使软件无法判定柱1为越层柱，确定柱1的Y向柱计算长度系数仍分别按一层4米和二层3.3米为依据，实际应进行人工干预，改为4+3.3＝7.3米做为柱计算长度系数的计算依据，否则，两者计算配筋误差相当大。另外，柱计算长度系数人工更改后，不能再执行软件的数据检查，否则等于没修改。
（2）软件SATWE已注明，柱底最大轴力平面数据不能作为基础设计依据，应用JCCAD软件的数据，但有的设计者仍然引用SATWE的数据去设计基础，设计基础需要多组柱底内力组合，万一数据误差太大，就会造成整幢房屋存在安全隐患。
（3）用SATWE软件设计人防地下室，应输入活荷载，软件才会考虑人防荷载参与组合，有的设计者没注意到这个规定，结果严重错误；有的设计者没使用有人防计算功能的软件，设计时没有考虑材料强度提高系数等因素，设计结果，水泥、钢筋浪费太大，很不经济。
（4）SATWE软件体系在算有抬柱子的梁或者是等截面高的交叉梁系、井字梁，经常会出现梁跨数标注错误，即把被抬的柱子当成支座，使原为一跨的梁被分成两跨，或者一跨的梁被交叉梁分为若干跨。由于这些梁－跨被误认为若干跨，造成梁同一跨内钢筋直径不同、根数不同等影响安全的异常问题，这些问题都应在出施工图之前重点核对，认真调整。
(5)现行结构设计软件有许多要要用户输入的计算参数，这些参数有的是软件给出默认数值，设计时应认真分析这些默认数值在技术上、构造上是否合理可靠，采用不合适的参数，有时造成的后果也是很严重的。例如，基础软件JCCAD中的基床反力系数K，它的物理意义为：单位面积地表面上引起单位下沉所需施加的力，反映的是地基刚度的大小，它与土的类型、基础宽度和埋深、基础的刚度等因素有关，可能变动于几MN/m3到几百MN/m3之间，可想而知，对软件中默认值不进行修改，设计的基础肯定会存在不安全或不经济的问题，这也说明软件应用还应具备扎实的专业理论知识。
(6)在结构设计时，对SATWE软件菜单的使用要进行认真分析。软件中加载方式有三种，即一次性加载、模拟施工方法1加载、模拟施工方法2加载。一次性加载计算，主要用于多层结构，因为施工的层层找平对多层结构的竖向变位影响很小，所以不要采用模拟施工方法计算。模拟施工方法1加载,对于高层结构，一般都采用这种方法计算，但是对于“框剪结构”，采用这种方法计算在导给基础的内力中剪力墙下的内力特别大，使得其下面的基础难于设计。于是就有了模拟施工方法2加载，这是在“模拟施工方法1”的基础上将竖向构件（柱、墙）的刚度增大10倍再进行结构的内力计算，采用这种方法计算在导给基础的内力比较均匀合理，可以避免墙的轴力远远大于柱的轴力的不合理情况。但是这种方法人为的扩大了竖向构件与水平构件的线刚度比，所以它的计算方式值得探讨。专家建议，在进行上部结构计算时采用“模拟施工方法1”；在基础计算时采用“模拟施工方法2”的计算结果，这样得出的基础结果比较合理。
4、建筑结构安全与经济的技术措施
(1)材料选用与要求
建筑结构的安全和经济还与建筑材料选用有关，特别在设计一些大跨度或荷载较重的结构时尤其突出。例如，验算型钢梁与型钢柱连接节点时就发现，不能光靠加大型钢柱截面来满足要求，而只要在节点加帖加强钢板来满足计算要求，这样做有两个优点：第一能节省钢材，第二能避免采用厚度大于20mm的钢板，太厚的钢板焊接前要预加热，施工工艺麻烦，受力后还存在钢板被撕裂的危险，因此对钢板材质要求较高，甚至要用特种钢材，造价也很高。建筑结构的主要材料是砼和钢筋：通常情况下，混凝土受弯构件采用C20～C30；受压构件采用C25～C40；预应力构件采用C40最为合适，材料性价比较高；主导钢筋采用HRB400（III）级及HRB335（II）级钢筋，材料性价比较高。
(2)电算与人工结合配置钢筋
结构设计软件自动生成的梁、板、墙和柱配筋在一定程度上存在着某些不合理部位。例如，有的次梁箍筋面积计算值才2mm2，按构造要求最多配Φ6@200箍筋，可自动生成的箍筋为Φ10@200，配筋偏多，类似这种情况都要人工调整；有的是软件还不具备的功能，例如，规范统一规定梁面第一排钢筋断点为Ln，第二排为Ln，实际上，有些梁就不需要这么长的钢筋，设计时可结合手工画材料包络图来确定钢筋断点，用这个办法可省很多钢筋。另外，规范规定Ln为相邻跨净距，连续梁中某跨跨度较小时，该跨梁面钢筋与相邻大跨梁面钢筋应贯通，减少钢筋断点，这些都需要人工编辑。
总之，结构设计不要怕麻烦，要想方设法采用一些好的技术措施把一些计算和构造要求不需要的钢筋省下来。
(3)多种方案比较、现场试验
某工业园区大部分区域土层分布从上而下为：素填土（1）、淤泥质土（2）、圆砾（3）、淤泥质土（4）、中细砂土（5）、全风化土（6）、强风化土（7）。中风化土（8）
如采用浅基础，持力层选在第3圆砾层，该层厚薄不一，薄的1.5米左右，厚的达2.1米左右，下卧层计算不能满足规范要求；如采用冲(钻)孔灌注桩，造价又很高；如采用锤击式高强预应力管桩，噪音污染大，且单桩承载力不好控制；如采用静压式高强预应力管桩，担心静压沉桩穿越圆砾层有困难，但该方案造价低、质量好。考虑到桩基工程对建筑结构安全和经济影响很大，经研究选用第7土层即强风化层为持力层，在现场做静压沉管试验，检验施工工艺及基桩承载力是否满足设计要求，结果令人满意。后经大面积施工，整个施工过程也比较顺利，单桩垂直承载力和桩身质量都能满足设计要求。
(4)结构体系应避免存在多余构件
结构设计应避免画蛇添足，即结构体系存在没用的梁、柱或抗震墙等多余构件，这些构件不但增加房屋造价，而且有可能使结构传力不明确。
对楼(屋)面板及地下室顶(底)板，当某一板块预估可按构造配钢筋或在最佳配筋率范围时，如无他用千万别在这板块中加次梁。工程设计中，确定楼(屋)面板厚度是先和电气工程师沟通，保证电气管线上、下有大于三分之一板厚的砼保护层厚度，然后结合建筑使用功能和荷载大小布置必要的梁系，忽略这个问题有时会造成极大浪费。例如，某工程地下室底板厚度为300mm，板跨度双向大部分不大于6米，按计算已是构造配筋，但设计者还在板中加了十字交叉次梁，后经审图建议，取消十字交叉次梁，既为业主节省造价，又使结构布置简洁、传力明确。
在这里要强调一点，国家规范是设计标准的最低要求，设计者在设计一些特殊结构和复杂结构时，除了要正确应用一些优秀软件进行内力分析，还应注意构造处理的可靠性，实际上在地震作用下，通过理论计算结果不可能是十分准确的，要保证安全还要靠概念设计，“三分计算七分构造”已成为结构设计者的共识，某些地方要突破规范的约束，关键部位“多用”点钢筋会得到四两顶千斤的效果。汶川地震也证明了构造措施得当是实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的重要设计环节。
5、结束语
建筑结构设计责任重于泰山，结构设计的过程是一个处理建筑结构安全与经济的过程，设计者在技术上要精益求精，不要一意注重安全使房屋造价偏高，造成不必要的浪费，更不能一意追求经济而不注意建筑结构的安全。总之，要设计出安全度较高且造价低的建筑结构，应在建筑结构体系、软件应用以及采用一些先进技术措施等方面多做点工作，实践证明只要肯努力，对一个较大的工程项目在保证安全度较高的前提下，要节约几十万元或几百万元造价并不是不可能的。
参考文献
［1］中国建筑科学研究院PMPK系列软件用户手册
［2］混凝土结构设计规范GB50010-2002
［3］高层建筑混凝土结构技术规程J186-2002
［4］建筑抗震设计规范GB50011-2001
［5］建筑桩基技术规范JGJ94-2008
