建筑結構限額設計優化建議

王 川，郭 鋒

(北京市建筑工程設計有限責任公司，北京 100032)

0 引 言

近年來，我國十分重視資源節約型、環境友好型社會的建設，節約發展、清潔發展、安全發展的政策在各個行業紛紛落地，房地產行業作為高資源利用行業，更應該切實落實相關政策，通過優化設計，減少資源浪費，到達節約資源、節能減排的目的。

同時，隨著各城市地產市場競爭日趨激烈，地產商拿地成本與日俱增，而房產售價又受到各種政策的限制，融資難度日趨嚴峻，房地產開發商為了滿足政策要求及更加有效地控制項目成本避免虧損，均對設計單位提出了限額設計要求，因此，作為一名結構工程師，對限額優化設計進行研究具有迫切的現實意義。

本文通過對近些年所做工程進行回顧、梳理、總結，在限額設計方面，從結構方案制定、荷載選取、電算參數設置、構件計算及施工圖繪制細節等幾方面，在保證結構安全合理的前提下，給出了一些具體的設計優化建議。

1 限額設計優化具體建議

1.1 方案階段優化

1.1.1 地庫柱網方案的優化

近些年來，城市中各個新建小區，為了保證綠化率、停車位配比，配建人防面積以及地上人車分流提高建筑品質的需要，均建造與主樓連為一體的大型地下車庫，通常為地下一層或兩層，因此如何對地庫的柱網進行合理的布置，已成為設計師最為關心的，與限額設計指標息息相關的重要內容。

地下車庫常用標準柱網尺寸有8.1 m×8.1 m(圖1)、8.1 m×(4.8 m+6.5 m)(圖2)，5.4 m×(4.8 m+6.5 m)(圖3)，因在相同荷載的情況下，配筋量是與柱網跨度成正比的，柱網越大，配筋量越大，不同的柱網方案，直接影響地庫結構限額指標。

圖1 8.1 m×8.1 m 大柱網布置

圖2 8.1 m×(4.8 m+6.5 m) 大小柱網布置

圖3 5.4 m×(4.8 m+6.5 m)小柱網布置

從建筑視覺感受上考慮：

大柱網，柱截面大，柱子數量少，視野較開闊。

小柱網，柱截面小，柱子數量多，視覺上較密集。

從停車舒適性方面考慮，不同的柱網形式，柱子與車位端線的關系不同，對車輛的轉彎半徑有一定影響，大柱網的舒適性最好，小柱網的舒適性一般。

因此，在建筑布局及舒適性允許的情況下，從結構限額優化設計角度出發，應盡量采用小柱網布局。

1.1.2 地庫樓蓋結構方案優化

據統計，地下車庫造價約占整個項目造價的10%～20%[1]，因此地下車庫如何選擇合理的樓蓋結構形式，實現降低工程造價的目的，已成為了此類工程設計過程中的重要內容。

地下車庫樓蓋常用的結構形式有梁板結構及無梁樓蓋兩種，結合工程實例，對同一項目(共有兩層地下室)無梁樓蓋結構及梁板結構(主梁+大板)的綜合經濟性進行對比分析，最后確定出在相同設計條件下，何種結構形式更加經濟。主要設計參數：抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度0.2g；設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震等級為三級；梁板式采用PKPM建模計算，無梁樓蓋采用PKPM-SLABCAD模塊進行計算，采用理正工具箱無梁樓蓋等代框架模塊進行手算復核。

通過計算對比，無梁樓蓋結構方案因跨中板帶可進行較靈活的設備管線布置，因此具有較好的層高優勢，每層地庫可降低結構高度300 mm。為了更好地對兩個結構的綜合經濟性進行比較，通過查閱文獻[2]，層高每減少100 mm，地下室綜合成本可節約30元/m2。

不考慮層高對地下室造價影響，兩種方案材料用量基本一致，但無梁樓蓋方案模板搭設簡便，鋼筋加工及綁扎方便，還可大幅提高施工效率，縮短工期，節省時間成本。

考慮層高對地下室造價影響時，無梁樓蓋結構方案每層地庫可減少開挖深度0.3 m，經濟性優勢更加突顯，詳見表1。

表1 兩種樓蓋結構形式成本對比

兩種方式的總成本差額為987.5-845.3=142.2元/m2。因此，地下車庫樓蓋形式應盡量采用無梁樓蓋結構形式。

1.1.3 剪力墻結構方案優化

高層剪力墻結構方案，常用的有多剪力墻方案和少剪力墻方案，具體如圖4所示，各自優缺點如下：

多剪力墻方案：少二次砌筑，省人工，避免填充墻體與結構墻體交界面開裂，混凝土用量多。

少剪力墻方案：混凝土用量少，二次砌筑費用及人工費用高。

不同的甲方會根據項目的具體情況選擇不同的方案，須在方案前期進行充分溝通，設計上建議采用少剪力墻方案，因為其在限額設計方面有明顯造價優勢。

圖4 多剪力墻方案與少剪力墻方案對比

1.1.4 抗浮方案的優化

抗浮設計優選自重抗浮，自重不能滿足要求時，可通過采用無梁樓蓋形式，壓縮地庫整體埋深，通過減少水浮力的方式進行抗浮，也可通過采用上反柱帽的基礎形式，通過回填配重混凝土達到抗浮要求。

對于由于抗浮水位較高，自重抗浮及回填配重混凝土不能達到抗浮要求時，需要采用抗拔樁或者抗拔錨桿進行抗浮，結合工程實例，對抗拔樁及抗浮錨桿的經濟性進行比較，在北方平原地區，由于基底下沒有堅硬的巖層或巖層較深，大部分為土體錨桿，因此錨桿較長，造價偏高[3]，因此在巖層較深需要采用土體錨桿的工程中，優選抗拔樁的抗浮方案。

對于抗拔樁抗浮方案，我們對大直徑樁及小直徑樁抗拔樁方案也進行了對比，由于抗拔樁設計中鋼筋用量由裂縫控制，配筋量較大，通過對比，在提供相同的側摩阻力的情況下，小直徑樁方案混凝土用量較少[3]，因此，在進行抗拔樁設計時，優選小直徑抗拔樁方案。

讀書，能提升我們的視野和格局。當站在二樓觀景時，我們看到的也許是街角的某處垃圾場，而在二十二樓時，你會將滿城的風景，盡收眼底。那些年走過的路，遇到的人，讀過的書，就是我們的格局和視野。這些決定了我們看問題的層次和對事物的判斷。人生閱歷越是豐厚，就越是需要通過讀書去消化內心的褶皺和疤痕，和優秀的書籍對話，精神自然就往來于天地之間，曲曲折折、隱隱約約、層層疊疊的心境，也漸漸變得柳暗花明，人，就不至于走到山窮水盡的地步。

由于抗浮方案的造價受當地是否有相關施工企業及混凝土、鋼筋等材料價格的影響，且抗浮方案受當地土層結構、抗浮水位高低、當地經驗等多種因素影響，因此抗浮方案須嚴謹客觀地按照每個工程的實際情況分析選取，不可盲目照搬套用。

1.1.5 筏板基礎方案的優化

地下車庫及帶地下室的框架結構，上部結構荷載主要由獨立柱基傳遞給地基，地基反力集中在獨立柱基范圍內，受力明確，獨立柱基不需要設置上部鋼筋，抗水板內力小，配筋少，因此在地基承載力較好的情況下，應優先選用獨立柱基加抗水板方案，如圖5所示。

圖5 獨立柱基加抗水板示意圖

1.2 計算階段優化

1.2.1 荷載優化

一般結構工程師都會嚴格按照建筑用途，依據荷載規范進行相關荷載的選取，但有些方面，前期設計時，甲方無法確定具體方案，例如：車庫頂板園林方案，消防車道位置。類似問題應盡早明確，保證荷載取值合理，車庫頂板覆土深度超過2 m，常用板跨的消防車活荷載按覆土厚度的折減系數要嚴格按照荷載規范附錄B進行折減，消防車荷載只在車道范圍內布置，嚴格禁止滿布，設計基礎時可不考慮消防車荷載。[4]

1.2.2 電算參數優化

(1) 基礎計算，需考慮上部剛度對基礎的影響，基礎網格劃分要合理，避免局部因網格劃分不合理導致的個別單元配筋偏大?；蚕禂挡皇窃酱笤胶?，需要根據土層合理考慮。對基礎底部與土接觸一側鋼筋的混凝土保護層厚度，大部分工程師根據混凝土規范取40 mm，實際在有建筑防水做法時混凝土保護層厚度不小于25 mm，且不小于鋼筋直徑即可[5]。

(2) 電算活荷載信息定義中，對于柱、墻設計時的活荷載默認是不進行折減的，按照《建筑結構荷載規范》5.1.2-2及5.1.3，在設計墻、柱時，可根據建筑不同的層數，對活荷載進行折減，對消防車活荷載可按實際情況考慮，因此，計算時要點選墻，柱設計時活荷載折減。

(4) 對有翼緣的雙肢墻，當翼緣的長度及厚度滿足有效翼緣的要求時，在進行墻柱設計時，需要考慮端柱及翼緣共同作用進行配筋設計，考慮翼緣時，雖然截面增大，但由于同時考慮了翼緣部分的內力，即內力也相應增大了，配筋不一定減小，但是包絡設計結果更為準確合理。

1.2.3 復核地基承載力計算的優化

許多高層建筑，因層數較多，承載力較大，天然地基的承載力達不到要求，需要采用復合地基，最常用的為CFG樁復合地基方案。在采用復合地基方案時，因《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)未提供復合地基的抗震承載力調整系數，因此地震荷載組合條件下，廣大設計師均采取不調整的保守辦法。

當沒有設計依據，但需要考慮CFG樁復合地基抗震承載力提高時，可對樁間土發揮的地基承載力fsk進行抗震承載力調整，即CFG樁復合地基抗震承載力fspE可按下式進行計算：

此公式來源于《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)第5.2.4條、《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79—2012)第7.1.5-2條、《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范(2016年版)》(DBJ 11-501—2009)第7.3.7條及《建筑抗震規范》(GB 50011—2010)第4.2.3條中的四個公式的組合。

1.2.4 擋土墻計算的優化

在進行擋土墻配筋計算時，對于靜止土壓力系數的選取一般按照經驗取0.5，但是當地下室施工采用護坡樁、地連墻加支撐、水泥土墻及土釘墻等基坑支護措施的時候，地下室外墻壓力計算中可以考慮基坑支護與地下室外墻的共同作用，再乘以折減系數0.66，即：0.50×0.66=0.33.

1.3 施工圖階段優化

1.3.1 基礎配筋優化

筏板基礎可按最小配筋率0.15%配置雙排雙向鋼筋，其他鋼筋按附加鋼筋配置。

柱下獨立基礎和墻下條形基礎的寬度大于或等于2.5 m時，底板受力鋼筋的長度可取邊長或者寬度的0.9倍，并宜交錯布置[6]。

1.3.2 地庫柱配筋優化

地下車庫大部分柱配筋均為構造配筋，只有個別柱的配筋由計算確定，個別設計師采用包絡設計，全部柱配筋均采用計算配筋，此種做法浪費較多，建議對于個別計算配筋的柱子，單獨編號進行獨立配筋。

1.3.3 地下車庫外墻配筋優化

地下車庫外墻彎矩最大位置為與基礎交接處，很多工程師進行墻體縱筋配筋時，墻體縱筋均按最大彎矩計算得出，浪費較多，建議墻體縱筋按非支座計算數值配置，在支座處附加鋼筋用于滿足支座處較大負彎矩要求，具體做法如圖6所示。

圖6 墻體附加筋示意圖

有些設計師在做外墻計算時，裂縫限值按0.2 mm考慮，導致配筋由裂縫計算控制，較浪費，當地下室外墻外側設有建筑防水層時，外墻最大裂縫寬度的限值可取0.4 mm[5]。

2 優化設計時的注意事項

2.1 設計前期須與甲方深度溝通

不同的結構布置方案，對結構限額指標的影響是決定性的，有些結構方案的制定，又與甲方的前期方案及設想息息相關。例如，車庫頂板園林方案，是采用低矮灌木，還是需要種植高大數目；地下室防水方案制定，是內防水，還是外防水；剪力墻，是采用多墻方案，還是采用少墻方案。類似影響結構方案及結構限額指標的問題應與甲方充分溝通，盡早明確，避免后期因方案修改導致相關限額指標增大。

2.2 關注新技術發展

伴隨著建筑行業的不斷發展，先進技術的廣泛應用和高效融合已是大勢所趨[7]，作為合格的結構工程師，要不斷地接觸新技術，做到思想不落伍，也要勇于將新技術用于實際工程中，進一步提升設計工作的質量和效率，用新的技術或者新的體系來解決也寫固有的很難解決的問題，往往會收到比較好的效果。

2.3 優化的前提是安全合理

作為一個建筑，最基本的屬性是安全，作為一個結構工程師，一切優化的前提與底線也是安全，任何的優化都不能突破這個底線，不能用犧牲安全性來換取限額指標的降低，不能用犧牲安全性來換取高額的利潤，經濟性是對一個安全合理建筑的錦上添花，而完全為了經濟性而犧牲建筑的安全性是本末倒置，因小失大。

3 結 語

本文通過對近些年所做工程中關于限額設計內容的總結，給出了地庫柱網方案選取及配筋的優化方法，地庫樓蓋結構設計優化方法，剪力墻結構設計優化方法，抗浮設計的優化方法，筏板基礎設計及復核地基計算的優化方法，結構荷載取值的優化方法，電算參數選取及優化方法，地下室擋土墻計算及配筋的優化方法，同時，給出了在優化設計時的一些注意事項。

伴隨著我國資源節約型、社會友好型社會建設工作的穩步推進，建筑結構限額設計工作在全社會的節能減排大潮中，一定會發揮越來越重要的作用，通過合理的結構限額優化設計，達到提升結構方案合理性，有效節約建筑材料，降低建設成本的目的[8]，更好地推動我國建筑行業可持續地、健康地發展。