在建筑設(shè)計中,一個項目的成功,首先要滿足其建筑功能要求,保證項目的安全性,其次是項目本身要具有經(jīng)濟(jì)性。因結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)與否直接關(guān)系項目投資量的大小,而影響結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素在于結(jié)構(gòu)方案的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)和設(shè)計制圖的精確度等。如果項目本身投資巨大,卻多年不能收回成本,則該項目是個失敗的投資。實踐證明,一個工程項目投資金額的85%是在設(shè)計階段決定的,由此可見,設(shè)計階段對項目投資起到?jīng)Q定性的作用。
一、
正確選取結(jié)構(gòu)計算參數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提
目前,結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)入了電算化的時代,在合理的結(jié)構(gòu)選型和布置前提下,只有正確地選取各項設(shè)計計算參數(shù)才能把結(jié)構(gòu)設(shè)計做好。無論是國內(nèi)PKPM、3D3S等系列軟件,還是國外的ETABS、SAP2000等系列軟件,設(shè)計的各類參數(shù)都必須是結(jié)構(gòu)設(shè)計師人工選取和錄入,如地震分組、場地類別、抗震等級、地震烈度、地下室層數(shù)、是否計算雙向地震、是否計算偶然偏心、是否雙偏壓配筋、箍筋間距、墻體分布筋間距、鋼筋的強度值和混凝土的強度等級等,每項參數(shù)都關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)計算結(jié)果是否正確、配筋是否經(jīng)濟(jì)。多層建筑計入了雙向地震,可不考慮結(jié)構(gòu)偶然偏心的影響;高層建筑在計算配筋時,如果計入了雙向地震后可不考慮偶然偏心的影響(“高規(guī)”4.6.3條文注釋以及“高規(guī)”3.3.3條文解釋)。當(dāng)建筑場地類別為一類和四類時,要分別注意對抗震等級進(jìn)行相應(yīng)的提高或減少。
二、
基礎(chǔ)工程投資
該投資約占工程總投資的20%-30%,基礎(chǔ)設(shè)計的重要性由此可見一斑,基礎(chǔ)設(shè)計的方案選取尤為重要。基礎(chǔ)設(shè)計前,應(yīng)仔細(xì)閱讀分析地質(zhì)報告,根據(jù)地質(zhì)報告的建議,合理地選擇基礎(chǔ)形式,同時,對于建議的基礎(chǔ)形式要進(jìn)行試算,特別是軟土地基,可能會出現(xiàn)能滿足基礎(chǔ)承載力而不滿足沉降要求的情況,這時會同地勘單位進(jìn)行地基處理,從而選取合理的基礎(chǔ)形式。即使選用樁基礎(chǔ),也要進(jìn)行不同形式樁的經(jīng)濟(jì)性比較,找出合理的樁基形式。
筏形基礎(chǔ)的厚度往往是由柱或墻對筏板的沖切決定的,因而柱下或墻下筏板是主要受沖切區(qū)域,可以采用柱下或墻下筏板加抗沖切的鋼筋或局部加厚筏板厚度的方法來減小整體筏板厚度。筏板的配筋往往是柱下或墻下達(dá)到最大值,不必要以此值作為整個筏板配筋值,可以取一個合理的值,局部不夠的柱下或墻下加局部2層筋,才能做到筏板設(shè)計安全、經(jīng)濟(jì)、合理。
三、
建筑材料選用
應(yīng)盡量選用高強度的建筑材料,如鋼材宜優(yōu)先選用三級鋼。HPB300,HRB335和HRB500,這4種鋼材的價格比較接近,但它們的抗拉強度值是270:300:360:435=1:1.1:1.3:1.6,可見采用高強鋼筋的性價比高。混凝土宜用C30以上標(biāo)號的混凝土,因為目前的施工工藝和技術(shù)已可使混凝土達(dá)到C80,運用高強度混凝土可以減小結(jié)構(gòu)截面和減輕結(jié)構(gòu)自重。填充墻材料宜采用輕質(zhì)墻體,如水泥纖維板、紙面石膏板、加氣混凝土等,這些材料既可增加室內(nèi)的使用面積,也可以減輕結(jié)構(gòu)自重,減小地震作用,進(jìn)而減少結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的配筋量和混凝土用量。
四、結(jié)構(gòu)形式和適用范圍
目前,我國建筑主要是以混凝土結(jié)構(gòu)形式為主,而在混凝土結(jié)構(gòu)中,主要有筒體結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等形式,每一種結(jié)構(gòu)形式都有它的適用條件。如高度<60m的建筑不宜采用筒體結(jié)構(gòu),而30層以上或100m以上的建筑才宜采用筒體結(jié)構(gòu);剪力墻結(jié)構(gòu)適用墻體較多的高層建筑,如住宅、公寓、飯店、醫(yī)院病房等;由于建筑功能的需要,加上住宅對室內(nèi)效果的要求,10層以上的小高層建筑結(jié)構(gòu)形式可采用剪力墻結(jié)構(gòu)或短肢剪力墻結(jié)構(gòu);框剪結(jié)構(gòu)形式適用于高層住宅和需要大開間的辦公建筑;框架結(jié)構(gòu)形式主要用于10層以下的建筑,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于公共建筑、住宅等民用建筑中,但是在抗震設(shè)防高烈度區(qū)內(nèi),10層以上不宜采用純框架結(jié)構(gòu);磚混結(jié)構(gòu)可用于多層建筑和小開間的建筑,但是由于磚混結(jié)構(gòu)抗震性能較差,其作為獨立的結(jié)構(gòu)形式,對房屋的裝修、改擴(kuò)建均不利。因此,目前經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)基本上不采用這種結(jié)構(gòu)形式。
五、建筑的規(guī)則性
這里的規(guī)則性是從結(jié)構(gòu)意義上而言的。一個平面方方正正的規(guī)則的建筑,如果其豎向抗側(cè)力構(gòu)件布置不連續(xù)或者側(cè)向剛度不規(guī)則,從結(jié)構(gòu)意義上來判定,它仍是一個不規(guī)則建筑。當(dāng)一個幾何平面并不規(guī)則的建筑,如果豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)、側(cè)向剛度規(guī)則,結(jié)構(gòu)的性能不一定差。對于抗震地區(qū)的建筑而言,抗側(cè)力構(gòu)件布置是否合理,對于結(jié)構(gòu)受力的合理性和建筑經(jīng)濟(jì)性影響巨大。平面不規(guī)則的建筑物對于墻柱的截面、配筋影響很大,在地震力作用下,會使結(jié)構(gòu)變得不安全。不規(guī)則建筑不但使建筑不經(jīng)濟(jì),而且在地震作用下發(fā)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)使得建筑物不安全,為此,國家《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中的3.4.3節(jié)和3.4.5節(jié)分別從結(jié)構(gòu)平面布置和結(jié)構(gòu)豎向布置對結(jié)構(gòu)的規(guī)則性作出了定性和定量的判定標(biāo)準(zhǔn);《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010中的3.4節(jié)專門對建筑設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性作了明確的規(guī)定。在平面中不規(guī)則的主要類型有:平面過于狹長(1/b>6)、凹入太深(凹入尺寸>30%)、凸出太細(xì)(1/b>2)、開洞過大(有效板寬<50%),豎向不規(guī)則的主要類型有:側(cè)向剛度不規(guī)則(本層剛度小于相鄰上1層的70%或小于其上層相鄰3層平均剛度值的80%,除頂層外,水平向尺寸大于相鄰層的25%),豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù),樓層承載力突變(本層抗側(cè)力剛度小于相鄰上1層的80%,注意不應(yīng)<60%)。對于高層建筑而言,還要控制不規(guī)則平面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),為此,“高規(guī)” 3.4.5條:結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第1自振周期Tt與平動的每一自振周期T1之比,A級高度建筑不應(yīng)>0.9,B級高度及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)>0.85。我們通過相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較,得出結(jié)果為:不規(guī)則建筑不但使鋼筋用量增大5%~15%,而且結(jié)構(gòu)的潛在安全性大大降低,地震作用效應(yīng)也相應(yīng)增大。
調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性,需要在確定結(jié)構(gòu)方案的階段,運用概念設(shè)計的方法,合理劃分結(jié)構(gòu)平面,合理布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件,控制抗側(cè)力構(gòu)件的剛度,力求剛心和質(zhì)心的位置重合,從而減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。首先與建筑專業(yè)協(xié)調(diào),使抗震概念設(shè)計用于建筑方案中,在適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置結(jié)構(gòu)縫,合理劃分結(jié)構(gòu)單元,盡量使得結(jié)構(gòu)單元平面規(guī)則,沒有過大的平面凸出或凹入。其次在抗側(cè)力構(gòu)件的布置過程中,應(yīng)遵循均勻、分散、對稱和周邊的原則,不宜使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度在某個地方過于集中或者突變。當(dāng)計算過程中位移比不能滿足規(guī)范要求時,多屬于抗側(cè)力構(gòu)件分布不均勻引起的。控制地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的主要措施是提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,盡可能把抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置在建筑物周邊,再次是加大結(jié)構(gòu)周邊抗側(cè)力構(gòu)件的剛度,如加大柱墻截面和連梁的高度。構(gòu)件距離質(zhì)心越遠(yuǎn),其對建筑抗扭剛度的貢獻(xiàn)越大。因此,在建筑物外圍多布置抗側(cè)力構(gòu)件或者提高其剛度,可以在不增加抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量、不改變結(jié)構(gòu)平面布局的前提下,有效地提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,改善結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性,增強結(jié)構(gòu)抗震能力,從而使結(jié)構(gòu)的性能更加合理、經(jīng)濟(jì)和安全。