![[分享]如何有效降低用钢量？](/skin/img/logo.png){kind=logo}
[分享]如何有效降低用钢量？
鞍钢房地产开发集团建筑设计院有限公司
《pkpm新天地》第119期
0 前言
近些年来，由于经济形势的不断变化，土地价格持续增长,土地成本相对增加,建设投资方及开发企业为了获得更好的经济效益，加强了对工程投资的关注和控制，这就需要建设各方从选择材料、施工工艺和设计优化等方面进行建筑成本控制。设计阶段是决定建设项目投资控制效果的关键阶段,工程设计是影响和控制工程造价的关键环节,结构用钢量的高低成为成本控制的主要因素。因此，对于结构设计来说，需要在保证结构安全、各项配筋构造符合设计规范要求的前提下，有效地降低建设成本。
如何在结构设计中有效地控制用钢量，需要我们首先研究影响用钢量的各种因素。单个建筑物用钢量的多少，从大的方面来说，取决于建筑物所在地区的自然条件、建筑物的建筑方案和结构方案等；从小的方面来说，取决于结构计算假定、荷载取值、墙体材料、结构构造措施、钢筋强度等级、混凝土强度等级等。
1 影响用钢量的因素
1.1 自然条件
主要由建筑物所属地区决定，包括建筑物所在地的风压、地震作用、场地条件等对结构的影响。我们知道，作用在建筑结构上的外力，除了结构自重和附加恒活载外，还有地震作用和风荷载等。处在基本风压较大的地区，尤其对高层建筑而言，由风荷载引起的结构内力增大，使得结构用钢量大，反之则低。在气候恶劣、温差变化剧烈的地区，为抵抗温度应力，需要增加抗拉性能优良的钢筋，这会引起钢筋量的增加。建筑场地类别及地基承载力影响, 主要体现在以下几个方面：不同的场地类别对地震作用的影响不同, 如Ⅲ类场地与Ⅱ类相比，场地对地震的放大作用更显著一些，使结构内力增大15%～25%左右, 结构钢筋用量也相对增加；地基承载力较高时,基础所需底面积相对小,基础混凝土及钢筋用量会减少。建筑场地土质差，浅层土承载力低，持力层埋深大时，需要采用桩基础或很厚的钢筋混凝土筏板，含钢量较大。
1.2 建筑平面布置及立面造型
由《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中的相关条文要求可知：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化。如果出现了规范中界定的平面不规则和立面不规则，则要对不规则结构进行地震作用和内力计算的调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，这些都会引起结构用钢量的增加。
具体来说：若平面较简单、规则、凹凸少，则用钢量就少，反之则较多，并且平面凹凸比较多时，结构设计的各项指标也会趋于不合理,影响结构的总含钢量；若建筑物超长，则由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力，其单位面积用钢量要多些；若竖向结构的侧向刚度从下到上逐渐均匀变化，则其用钢量就较少，否则若竖向有外挑、内收，或竖向刚度有突变，用钢量将增多。
1.3 结构体系和方案的选择
对于同一建筑物，采用何种结构体系，需要结构工程师对结构概念设计和各结构体系的优缺点，有着足够清楚地认识。因为各结构体系有着不同的工作机理，在都能满足结构安全的前提下，各结构体系的经济性也不尽相同。这就要求结构设计时采用多种结构方案，并通过综合比较，给出最经济合理的结构方案。
例如：剪力墙（8度设防）结构的用钢量小于框架—剪力墙结构的用钢量：剪力墙50～70kg/m2, 框架-剪力墙90～110kg/m2。
大厚板结构，如无梁楼盖，大柱网大开间的厚板等用钢量大于一般框架梁加次梁的梁板式的用钢量。在建筑专业允许的情况下，做次梁加板（见图1）的方案比做大厚板的方案节省5%左右钢筋量。
图1 加次梁做法
1.4 荷载取值
结构计算时，荷载取值要符合规范及实际情况,不能随意加大,因为荷载取值的加大会使结构的用钢量增加。荷载取值的加大，使得整个结构的总重量加大，结构的地震作用也相应加大，结构构件的内力增大，配筋也就增加；另一方面，结构总重量的加大，使得这个结构传至基础的力增大，加大了基础的用钢量以及用桩数等。
1.5 建筑墙体材料及装饰材料
与2.4荷载取值对结构用钢量的影响类似，建筑墙体材料及装饰材料的影响,主要体现在，建筑设计时，若选择重量比较轻的材料, 则重量轻, 结构构件受力小, 地震作用减小,钢筋用量也小,结构总重量减轻, 基础设计能够减小截面及配筋。
1.6 结构计算假定
计算机软件分析时, 所选计算模型和计算假定要与实际相吻合, 并应用多方案进行优化。尤其是一些参数选择对结构配筋影响很大, 例如梁板跨中弯矩增大系数,有些情况可以不增加,在实际中有的工程取值取1.2，这样跨中钢筋就增加了20%,虽然增强了安全储备,同时也增加了钢筋用量。
1.7 混凝土强度等级和钢筋强度等级
可以得知：在最小配筋率大于0.2％的情况下，采用的混凝土强度等级低，可以降低梁板的最小配筋率，因此结构设计中在满足规范要求的前提下，所选择的混凝土强度等级不宜过高。同样，从公式中也可以看出，采用高强度的钢筋，不仅可以减小梁板等构件的配筋量，同时也降低了梁板的最小配筋率。
1.8 结构构造措施
具有较高素质的设计人员能够通过概念设计合理地进行结构构造设计, 综合考虑设计中的有利因素, 在保证安全的情况下，有效地减少钢筋用量。如在框架结构设计中,有的设计人员任意加大梁端上部钢筋, 认为钢筋加大,结构越安全, 其实这样增加钢筋,反而起到了相反的作用,在地震作用下,梁铰机制变成了柱铰机制,容易造成楼层屈服, 柱子先破坏, 违背了“强柱弱梁”的设计原则。
2 控制用钢量的一些措施
2.1 优化设计方案
采用什么结构体系对于工程造价关系重大，能做落地剪力墙的就不做框支转换层，能使短肢剪力墙减少就尽量减少。长墙肢有利于降低竖向构件的配筋率以及减少暗柱数量。长肢墙使得暗柱数量大为减少，其边缘构件纵向筋配筋率往往较低。过多的剪力墙，会导致较大的地震作用，增加结构的配筋量。同时，由于结构自重较大，增加了基础工程的投资。
2.2 采用新型楼盖
楼盖体系是建筑结构的基本组成部分之一，其重量占整个房屋重量的25%左右。降低楼盖的质量，可大幅度减轻建筑总重量，从而减轻地震作用；同时，还可降低墙、柱及基础的造价。降低楼盖体系自身高度，不仅可减少层高，节约建筑空间，还可降低围护结构、管线材料及施工机具的费用。
目前，国内外常见的钢筋混凝土楼盖体系有如下几种：1）现浇梁板式楼盖；2）井字楼盖；3）无梁楼盖；4）预应力框架扁梁密肋楼盖；5）无粘结预应力无梁楼盖。钢筋用量最少的是无粘结预应力无梁楼盖、其次是预应力框架扁梁密肋楼盖，钢筋用量最多的是井字楼盖和现浇梁板式楼盖。
2.3 采用Ⅲ级钢筋
钢筋目前常用有三种：HPB300、HRB335和HRB400,采用高强度HRB400 级钢筋是一种趋势，大部分设计院已全面使用Ⅲ级钢。Ⅲ级钢筋强度设计值是Ⅱ级钢筋强度设计值的1.2倍，但是Ⅲ级钢筋目前的市场价格比Ⅱ级钢筋略高一点，价格比约为1.05～1.10。若用强度较高的Ⅲ级钢筋代替强度低的Ⅱ级钢筋用于建筑，则可节约钢材约15 %，这是降低用钢量最直接的措施。
2.4 构件设计
对于构件本身的设计，主要从梁、板、柱、墙这几种构件，在规范允许的范围内降低结构设计中钢筋量的一些方法。
2.4.1 柱、墙
1)合理地确定墙柱截面：可以通过合理选择混凝土强度等级从严控制柱子的轴压比，在满足规范要求的前提下减小柱截面。抗震墙如能合理地布置，也可以减小墙截面。2)尽量使梁对柱中布置,这样可以减少柱子的偏心,也就减少了柱子的纵筋量。3）降低剪力墙约束边缘构件的体积配箍率
采用C35混凝土、HRB400钢筋比采用C40混凝土、HRB335钢筋的配置方案降低钢筋含量27%，轴压比可通过调整墙截面来解决。
2.4.2 梁
1)合理设计梁截面。尽量避免梁宽≥350,否则箍筋按构造须采用4肢箍,造成箍筋用量增加。增加梁高可以降低梁面及梁底的配筋量, 但箍筋量也有所增加。2)梁的归并系数要取小,否则归并后虽然减少了结构的工作量, 但梁配筋就会增加。3)计算时考虑梁柱节点刚域作用,可以降低梁的配筋量。4）关于贯通筋和正弯矩钢筋，现在一般的做法，如有一个7.2mⅹ7.2m柱网的框架梁，350mmⅹ700mm，ø10@100/200（4），上筋：6Φ25（贯通4根），下筋：6Φ25，对此配筋作如下分析：①上层贯通筋：按“高规”6.3.3第2条规定：“沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向配筋，一、二级抗震设计时，钢筋直径不应小于14 mm，且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级抗震设计和非抗震设计时的钢筋直径不应小于12mm”。根据此梁配筋与规范标准比较：其一，支座处的上筋或下筋均为6Φ25，其贯通筋为4Φ25，已是规范要求值的267％倍，浪费不少。其二，支座与跨中钢筋均配筋6Φ25，不符合受力规律，一般静载加地震作用，支座M总是大于跨中M。②下部配筋其一，在地震作用时，一般下层钢筋总是小于支座钢筋，本设计梁下筋与上筋同量，如果上筋配置无误，则下筋就多配了，否则支座处配筋欠缺，不安全。其二，根据高规6.3.3第2条，梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3，本设计上下钢筋一样了，也不符合受力和构造要求。其三，下部钢筋不一定全部贯通支座，60～80年代时，框架梁下筋要求至少1/3伸入支座，其他可以弯起至上层作为上筋受力之用，在“89”规范以后，改为“框架梁宜采用直钢筋，不宜采用弯起钢筋”，但不小于1/3的下筋伸入支座，传统的经验和概念还是对的，从弯矩包络图来讲也是符合道理的，见图2。
图2 弯矩包络图
在“平法”11G101-1第87页中有明文规定和图示：不伸入支座的钢筋长度可定为l净—0.2l净。伸入支座的钢筋需要多少，第一，要满足不小于支座上筋的0.5倍或0.3倍；第二，不小于下筋总配筋量的1/3；第三，按“高规”6.3.3第2条规定。关于底部钢筋是否全部深入支座的探讨：结构设计是否应更多地考虑荷载、作用的不确定性，如台风、地震作用及基础的不均匀沉降等，都有可能使梁底钢筋在支座处受较大的拉力。另外从结构的整体性来讲，梁柱钢筋在节点处全部绑扎牢固，符合框架结构的刚节点的基本要求，比梁柱钢筋在节点处没形成刚节点的情况，其受力性能更好。故梁底钢筋应全部伸入支座，并达到锚固要求。5）关于配筋的误差：在根据计算的内力进行配筋时存有一种错误的观念，即认为钢筋配的越多越好，本来内力计算时已经引入了很多安全系数，（包括材料强度和各种荷载及采用的偏于安全的保守的计算图式等），而在具体的选配钢筋时，人为的加大了配筋量，一般增加的钢筋达到计算值的10％，20％，有的达50％，甚至有的100％，这种做法是不合理的，也是很危险的，因为结构一般都是多次超静定的，在受力后，由于混凝土构件裂缝的产生，各部分的刚度均在不时的进行变化和相互调整，即在进行塑性内力重分布，从而提高了整个结构的承载力、延性和安全度，如果配筋率过大，也就是混凝土构件截面受压区高度相应会很大，随着弯矩的增加，钢筋还未达到屈服强度时，受压区的混凝土已经达到极限应变，造成脆性的破坏，使整个结构的内力来不及充分的内力重分布，使整个结构延性大大降低，最终会很快地导致整个结构的破坏，所以一定要严格控制钢筋量的配置。
2.4.3 板
1）双向板或多跨连续双向板的配筋布置，板下层钢筋可按下图配筋，可省钢筋25％左右，配筋时可把板块按受力方向各分三个条带，见图3，中间l/2宽条带范围的配筋为计算值AS的100％，其余两侧l/4条带配筋为计算值的50％。2）双向板及多跨连续双向板或单向连续板的内力与配筋计算。目前多按弹性理论计算，而截面又是按极限状态设计，本身自相矛盾，按此方法设计的各截面的配筋不能及时发挥作用，耗钢量大。除对在使用阶段不允许出现裂缝或对裂缝开展有严格限制的结构，如水池等，一般板可按塑性内力重分布的方法进行设计，按此方法设计比按弹性理论设计，可节省钢筋30％左右。3）板下部钢筋不一定全部伸入支座锚固，可有一半在支座处截断，如钢筋长度可乘以0.9或0.8，布筋时交错布置即可，其理由：a. 受力不需要可在受压区截断。b.可参阅“11G101-1”中第87页所示，图中所示的为梁的下层筋部分可不伸入支座，板也可以按此做法。
图3 双向板的板带划分
3 结论
本文从自然条件、建筑物的建筑方案和结构方案、荷载取值、墙体材料、结构构造措施、钢筋强度等级和混凝土强度等级等方面对结构用钢量的影响因素分别进行了阐述，并相应地提出控制用钢量的一些措施。通过上述的分析，在确保结构方案尽可能合理的前提下，再对各结构构件进行精细化设计，结构用钢量可以控制在一个较为合理的范围内。
