在建筑設計中,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濟性。因結構設計的經濟與否直接關系項目投資量的大小,而影響結構設計經濟性的關鍵因素在于結構方案的選型、結構設計的參數和設計制圖的精確度等。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%是在設計階段決定的,由此可見,設計階段對項目投資起到決定性的作用。
一、
正確選取結構計算參數是結構設計的前提
目前,結構設計進入了電算化的時代,在合理的結構選型和布置前提下,只有正確地選取各項設計計算參數才能把結構設計做好。無論是國內PKPM、3D3S等系列軟件,還是國外的ETABS、SAP2000等系列軟件,設計的各類參數都必須是結構設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、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,每項參數都關系到建筑結構計算結果是否正確、配筋是否經濟。多層建筑計入了雙向地震,可不考慮結構偶然偏心的影響;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”4.6.3條文注釋以及“高規”3.3.3條文解釋)。當建筑場地類別為一類和四類時,要分別注意對抗震等級進行相應的提高或減少。
二、
基礎工程投資
該投資約占工程總投資的20%-30%,基礎設計的重要性由此可見一斑,基礎設計的方案選取尤為重要。基礎設計前,應仔細閱讀分析地質報告,根據地質報告的建議,合理地選擇基礎形式,同時,對于建議的基礎形式要進行試算,特別是軟土地基,可能會出現能滿足基礎承載力而不滿足沉降要求的情況,這時會同地勘單位進行地基處理,從而選取合理的基礎形式。即使選用樁基礎,也要進行不同形式樁的經濟性比較,找出合理的樁基形式。
筏形基礎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,才能做到筏板設計安全、經濟、合理。
三、
建筑材料選用
應盡量選用高強度的建筑材料,如鋼材宜優先選用三級鋼。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以上標號的混凝土,因為目前的施工工藝和技術已可使混凝土達到C80,運用高強度混凝土可以減小結構截面和減輕結構自重。填充墻材料宜采用輕質墻體,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的使用面積,也可以減輕結構自重,減小地震作用,進而減少結構主要受力構件的配筋量和混凝土用量。
四、結構形式和適用范圍
目前,我國建筑主要是以混凝土結構形式為主,而在混凝土結構中,主要有筒體結構、框筒結構、剪力墻結構、框剪結構、框架結構等形式,每一種結構形式都有它的適用條件。如高度<60m的建筑不宜采用筒體結構,而30層以上或100m以上的建筑才宜采用筒體結構;剪力墻結構適用墻體較多的高層建筑,如住宅、公寓、飯店、醫院病房等;由于建筑功能的需要,加上住宅對室內效果的要求,10層以上的小高層建筑結構形式可采用剪力墻結構或短肢剪力墻結構;框剪結構形式適用于高層住宅和需要大開間的辦公建筑;框架結構形式主要用于10層以下的建筑,現在已廣泛應用于公共建筑、住宅等民用建筑中,但是在抗震設防高烈度區內,10層以上不宜采用純框架結構;磚混結構可用于多層建筑和小開間的建筑,但是由于磚混結構抗震性能較差,其作為獨立的結構形式,對房屋的裝修、改擴建均不利。因此,目前經濟較發達的地區基本上不采用這種結構形式。
五、建筑的規則性
這里的規則性是從結構意義上而言的。一個平面方方正正的規則的建筑,如果其豎向抗側力構件布置不連續或者側向剛度不規則,從結構意義上來判定,它仍是一個不規則建筑。當一個幾何平面并不規則的建筑,如果豎向抗側力構件連續、側向剛度規則,結構的性能不一定差。對于抗震地區的建筑而言,抗側力構件布置是否合理,對于結構受力的合理性和建筑經濟性影響巨大。平面不規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,會使結構變得不安全。不規則建筑不但使建筑不經濟,而且在地震作用下發生的扭轉效應使得建筑物不安全,為此,國家《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010中的3.4.3節和3.4.5節分別從結構平面布置和結構豎向布置對結構的規則性作出了定性和定量的判定標準;《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中的3.4節專門對建筑設計和建筑結構的規則性作了明確的規定。在平面中不規則的主要類型有:平面過于狹長(1/b>6)、凹入太深(凹入尺寸>30%)、凸出太細(1/b>2)、開洞過大(有效板寬<50%),豎向不規則的主要類型有:側向剛度不規則(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%),豎向抗側力構件不連續,樓層承載力突變(本層抗側力剛度小于相鄰上1層的80%,注意不應<60%)。對于高層建筑而言,還要控制不規則平面產生的扭轉效應,為此,“高規” 3.4.5條:結構扭轉為主的第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>0.9,B級高度及復雜高層建筑不應>0.85。我們通過相關統計數據比較,得出結果為:不規則建筑不但使鋼筋用量增大5%~15%,而且結構的潛在安全性大大降低,地震作用效應也相應增大。
調整建筑結構的規則性,需要在確定結構方案的階段,運用概念設計的方法,合理劃分結構平面,合理布置結構的抗側力構件,控制抗側力構件的剛度,力求剛心和質心的位置重合,從而減小扭轉效應。首先與建筑專業協調,使抗震概念設計用于建筑方案中,在適當的地方設置結構縫,合理劃分結構單元,盡量使得結構單元平面規則,沒有過大的平面凸出或凹入。其次在抗側力構件的布置過程中,應遵循均勻、分散、對稱和周邊的原則,不宜使結構的抗側剛度在某個地方過于集中或者突變。當計算過程中位移比不能滿足規范要求時,多屬于抗側力構件分布不均勻引起的。控制地震作用下扭轉效應的主要措施是提高結構的抗扭剛度,盡可能把抗側力結構構件布置在建筑物周邊,再次是加大結構周邊抗側力構件的剛度,如加大柱墻截面和連梁的高度。構件距離質心越遠,其對建筑抗扭剛度的貢獻越大。因此,在建筑物外圍多布置抗側力構件或者提高其剛度,可以在不增加抗側力構件數量、不改變結構平面布局的前提下,有效地提高結構的抗扭剛度,改善結構的平面規則性,增強結構抗震能力,從而使結構的性能更加合理、經濟和安全。