结构优化,既能降成本又能提品质!

建筑的骨架就是我们常说的结构部分,结构的安全是首要的,在保证安全的前提下,消费者才会为更多的结构投入买单。
这也就是为什么从来没听哪家房企在售楼时宣传“我们产品的钢筋含量高”。
正因为如此,近些年来,设计、成本人员把很大的精力投入到了建筑结构方面的优化上,但依然有很多人不清楚到底该怎么做结构优化,今天就通过比较通俗的讲解,让大家了解结构优化到底优化了什么,到底该如何优化?
 
结构优化,既能降成本又能提品质!

一、结构设计优化的必要性

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我们通过几组数据来看一下为什么要做结构设计优化。
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上图为某公司项目的结构钢筋含量,蓝色为未优化前,红色为万科的限额指标,绿色为结构优化后的钢筋含量,从数据看,优化后钢筋含量平均降低了10公斤左右,按照6000元/吨计算,每平米仅此一项就可以降低60元。
我们再来看两个类似项目的对比数据。
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两个项目的情况极为相似,但当我们对比两个项目的结构指标情况,就会发现其中的不同。
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由上面两个实例可见,结构设计优化的必要性,且其空间巨大。
 
 
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二、对结构设计优化的误解

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一提到优化往往大家会有这样那样的一些误解:
误解1.  设计优化影响结构安全
首先明确下观点:好的结构设计优化,不以牺牲安全为前提。
还是看一个例子:
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经分析,此楼北侧堆土过高,产生了3000吨侧向力,管桩整体被推断,楼体整体倾覆。
结构设计优化的前提是安全,在安全的前提下其本质是去除无效的结构成本。
结构设计优化可以从以下几方面重点考虑:
① 强柱弱梁:墙柱适当加强,梁适当减弱;
② 强剪弱弯:箍筋适当加强、纵筋适当减少;
③ 强节点弱构件:节点核心区适当加强、构件适当减弱;
④ 底部加强,上部削弱:基础及底部加强区适当加强、上部减弱。
误解2.  设计优化影响建筑品质
一提到优化,大家第一反应是减配,降低项目品质,这也是很多公司设计部门同事对设计优化比较抵触的原因之一,当然也是很多成本、设计粗暴优化,简单的以为减配就是优化有关。
我们来看两个实例:
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认真分析会发现,好的结构设计优化,会提升建筑品质。
 
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三、结构设计优化要点

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这张图是我们比较熟悉的成本曲线图,从图上可以看到,越是设计前端对成本的影响越大,因而要努力做到预先筹划防微杜渐。
1. 结构设计优化要点
1.1 勘察报告成果的确认与合理运用
地质勘察费用所占很小,但地质勘察对岩土,结构成本的影响却是很大的,特别是对基坑边坡,基础以及地下室等与土体有关部分的成本造价将起到决定性的作用。
现在常见一些勘察单位以低价中标,却往往土体取样与实验不足,只好向甲方提交偏于安全,甚至过于安全的勘察成果,对于甲方是因小失大。
因此,选取一个当地经验丰富,服务配合意识好的地质勘察单位,并给予合理的勘察费用是做好报告的关键因素;严格的勘察要求和勘察报告审核是地质报告做好的重要保障
地质勘地质勘察布孔应满足以下要求:
(1)有地下室时勘察方案须考虑满足基坑支护设计要求;
(2)同一项目分期开发时,其地质勘察应该同时满足远期与近期工程开发的要求;
(3)需进行场地地震安全性评价工作的,在进行地质勘察时,应同时考虑场地地震安全性评价的要求,并将地质勘察钻孔作为场地地震安全性评价所需的工程钻孔,重复利用;
(4)布置勘察孔时,应结合地下室(有地下室时)范围、标高、层高综合考虑,确定孔距、孔深,以及控制性孔与一般性孔的数量比例;
(5)当地下室有抗浮需要时,应明确要求提供设计抗浮水位;
(6)对地质报告,设计单位应认真审阅,并应对地质报告内容及数据的准确性、完整性提出意见并及时反馈给甲方。
1.2 基坑、边坡方面的成本控制
基坑、边坡方面的成本控制在基坑、边坡的设计中,经验占70%、计算占30%,因此在当地找一个经验丰富的设计单位和设计人员是非常关键的。
支护设计是通过方案招标确定的,其评标标准为“ 在满足结构安全可靠及环境绿化要求的前提下综合造价最低方案为中标方案”。
在设计方案确后为进一步降低造价、方便施工和缩短进度,需要在计算、构造、施工图设计等方面进行细致的优化,使设计施工图在满足安全的前提下更经济合理。
由于基坑、边坡设计中经验占了决定地位,因此请一个经验丰富的专家小组对重要基坑、边坡设计方案进行评审也是一个重要环节。
1.3 桩基础选型
各地由于地质情况以及建筑情况,可选用的桩基形式很多,常见的有:
冲孔桩、钻孔桩、人工挖孔桩、预应力管桩、沉管灌注桩、水泥搅拌桩、筏板基础、独立柱基等等。
结构优化,既能降成本又能提品质!
如何判断桩(基础)的总量是否合理?
要求设计院提供桩(基础)的总反力与建筑物总重量的比值,核对并判断其合理性,其比值大于85%视为合理(利用率>85%)。
1.4 控制层高
控制层高是非常有效的控制结构含量的方式,其作用在于:
(1)减少所有结构柱、剪力墙等竖向构件的长度和体积;
(2)减少建筑的总高度、降低结构的总荷载,间接降低结构成本;
(3)降低上部结构所承受的地震力、风荷载,间接降低结构成本;
(4)减少地下室土方开挖及运输的数量;
(5)减少基坑支护的面积、基坑支护的成本;
(6)地下室底板及侧壁的截面及配筋会相应减少,降低结构成本;
(7)减少水浮力,降低抗拔桩、抗拔锚杆的费用;
(8)减少基坑降水的数量及费用;
(9)减少所有外维护砖墙、内分隔墙、装饰隔断的数量;
(10)减少门窗、幕墙、粉刷、涂料、瓷砖、石材、防水材料等数量;
(11)减少空调等设备的负荷量。
而且客户关注的不是层高,而是净高。
因而,控制层高的途径在于保证一定的净高前提下,尽量减少层高。
地下室层高:
地下室层高=建筑净高(2.2m)+结构梁高(0.9m)+空调管高度(0.4m)+消防喷淋高度(0.1m)=3.6m,水电交叉等在次梁部分进行,因此地下室层高在3.6m左右是比较合适的。
水、电管线的走向、交叉布置以及埋置深度以及景观种植树木的要求是决定地下室顶板覆土厚度的关键因素,一般地下室顶板的覆土厚度在1.0~1.5m左右是比较合适的。
为了避免上部建筑的设备管线直接穿越人防顶板,设计中往往将地下室顶板降低后覆土,在覆土层中完成上部建筑设备管线的转换,即避免了对管线采取防护密闭措施,又可以节省投资。
另外,大型地下室顶板的跨度一般较大,仅靠中间向两边放坡是很难解决排水问题。因此设计中考虑将地下室分成几个区域,利用轻质陶粒砼找坡,坡向顶板外围水沟,由区域边的排水暗沟接入小区管网。
影响净高的因素有两个结构梁高和机电的管道空间:
① 结构的梁高的控制
设计院通常的做法:取结构本身最经济的梁高(一般为1/8-1/12的跨度)。
综合各种成本因素,取值应较正常结构本身最经济的梁高降低10%-30%。(建议为1/12-1/18的跨度)
② 机电的管道空间的控制
设计院通常的做法是空调、电缆、水管各占一个标高,实际空间利用率很低。
要求设计院做每一层的综合管线图来优化各专业管线的交叉布置和统一协调,以压缩总体管道空间。
③ 结构梁高的空间与机电的管道空间交叉优化设计
采用变截面梁,在机电管线通过处,减少梁截面高度。
在梁中预埋管或预留洞口,使管线穿过。
采用设柱帽(或不设柱帽)的无梁楼盖,使管线与结构柱帽在同一高度空间。
设计使结构梁的布置与空调管线的布置保持一致,以便结构梁与空调管线共同占用一个空间。
地上层高:
层高对成本影响的参考值:上部结构的层高每减少100mm,可减少成本30~40元/㎡。
1.5 梁的控制优化要点
8.1米X8.1米柱网下,在正常楼层,布置十字梁较井字梁便宜约16-22%。
对于较大跨度的柱网楼盖,在结构楼层净高不变的前提下,应以次梁按较短跨度方向布置为优。
其突出的优点是结构两个主轴方向的整体刚度更接近而有利于结构抗震;同一柱网范围内的楼层净高更大些而有利于室内空间的使用。
横向框架梁不承受次梁荷载,其截面高度的取值更有利于建筑外立面的处理。
对于近乎正方形柱网楼盖,采用井字形交叉梁系其框架梁内力分布更均匀,更能发挥其材料受力性能;
其板厚变小,板跨控制在3m左右,更有利于楼层灵活分隔使用和活荷载的均匀分布,为楼层变更使用用途创造有利条件。
1.6 柱的控制优化要点
框架柱的设计第一要素是柱截面尺寸不要抠太紧,即轴压比不宜太接近限值,这不仅可减少配筋,而且还能较易实现强柱弱梁的要求。
纵筋配置也应有适当余量,角筋可选择较大直径,其他纵筋根据计算要求设计即可。
箍筋在满足最小配筋率和计算要求前提下,宜Ⅰ级和Ⅲ级钢混用,即外围箍筋选用Ⅲ级钢,内部箍筋仍采用Ⅰ级钢筋。这样可利用强度较高的外围箍筋增加对内部混凝土的约束,而且容易实现配箍率要求。若全部采用Ⅰ级钢,为满足配箍率,有可能箍筋数量会太多或者直径过大。若全部采用Ⅲ级钢筋,有可能不经济。剪力墙边缘构件的配箍可采用类似方法。
1.7  剪力墙的控制优化要点
1.7.1 剪力墙布置的位置及数量
剪力墙布置应在建筑物的两端和周边重点布置,建筑物的内部和中间位置减少布置。
1.7.2 剪力墙布置的长度
剪力墙太长,结构本身成本增加,同时又使地震力增加,进一步加大结构成本。
短肢剪力墙,抗震性能不好,构造配筋成倍放大,成本也会增大。
最优化的剪力墙长度是其宽度的8倍+100;
剪力墙的翼缘小于600时,应关注其结构设计结果。
1.7.3 剪力墙厚度的设置 
《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.2条:底部加强层剪力墙厚度不小于层高的1/16(一、二级抗震等级)或1/20(三、四级抗震等级)。
但底部商业、底层假复式住宅或架空层层墙高较高,按此规定,厚必须增加较多,同时变成短肢剪力墙,配筋进一步大幅增加。
经过《高规》附录D专门的公式验算,大部分墙厚不需比标准层加厚或加厚一点即可满足稳定要求,节省本层造价约15%。
1.8 楼板厚度的控制优化要点
(1)普通3-4米跨度的楼板可取100;
(2)高层核心筒部位的楼板可取150;
(3)客厅处的异形大板可取120-150;
(4)普通屋面板可取120;
(5)管线密集处可取120;
(6)地下室顶板可取180。
1.9 钢筋的选择
Ⅱ级螺纹钢 VS Ⅰ级圆钢:
价格基本一样,强度提高43%,最小配筋率可降低。
Ⅲ级螺纹钢 VS Ⅱ级螺纹钢:
① 价格贵了4.4%,强度提高20%,对按计算配筋的梁柱有显著影响;
② 对于柱的构造配筋率,可减少0.1(当抗震等级为三级时,柱构造配筋率:0.7%→0.6%,减少14.3%);
③  减少梁柱的配筋数量,方便施工。
结构梁、柱、墙钢筋选取原则:
6-8CM直径钢筋统一采用HRB235;
10-12CM直径钢筋统一采用HRB335;
14CM及以上钢筋统一采用HRB400。
楼板钢筋选取原则:
优先采用冷轧带肋钢筋(Ⅲ级钢);
板底配筋尽量采用直径小、间距密的方式配置;
当冷轧带肋钢筋不能满足承载力要求时,采用HRB400。
1.10 混凝土的选择
标号每增加一级,单价提高5%-8%。
1.10.1 混凝土标号对各构件的影响
① 混凝土标号对柱及剪力墙的影响
提高标号可显著减小柱墙的尺寸,增加建筑实际使用率;
② 混凝土标号对梁的影响
正常情况下对梁的承载力几乎没影响,因此对梁的截面及配筋影响很小,不宜采用高标号;
③ 混凝土标号对楼板的影响
正常情况下对板的承载力几乎没影响,但可能会提高板的构造配筋率,同时还会增加板开裂的隐患,应尽量采用低标号。
1.10.2 混凝土标号的选择建议
① 普通的结构梁板混凝土标号一般为C25、C30;
② 受力较大的梁板混凝土标号可采用C30(C35),如地下室的底板、顶板、转换层、屋顶花园的楼板等;
③ 剪力墙、柱混凝土标号按轴压比控制,使其尽量接近轴压比规定的上限,同时又使绝大部分竖向构件为构造配筋;
④ 高层竖向构件砼宜按层数分段,下部楼层提高标号以减少截面,上部降低标号以降低成本。
 
 
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四、案例分析怎样做好优化

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1. 各节点结构设计优化要做些什么
方案阶段:
① 地下室柱网经济性分析;
② 塔楼结构方案分析。
扩初阶段:
① 制定统一技术措施; 
② 基础选型分析; 
③ 地下室顶板经济性分析;
④ 地下室底板经济性分析;   
⑤ 构造做法经济性分析; 
⑥ 具体问题具体分析。
施工图阶段:
复核计算模型计算书合理确定各结构构件的标准配筋做法以及图纸的质量审定。
2. 案例分析
案例一:环球发展中心
项目地点:长沙市 
项目类型:综合体(建筑高度234 米) 
建筑面积:295675 平方米 
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长沙城市地标项目,总用地面积39713 平方米,总建筑面积295675平方米;建筑高度234 米;办公面积151212 平方米,商业35430 平方米。主要包括写字楼、星级酒店和商业配套设施(裙楼中计划建设大型国际名车交易展示中心);是一座集写字楼、公寓、购物中心与新型体验街区等于一体的综合体。
2.1 抗浮锚杆优化
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优化结论:项目经方案备选最终采用方案一,相比原方案节约造价363万。
2.2 底板方案优化
依据地勘报告提供浮水位为37.5mm,抗水板顶标高为24.7m,抗浮水头高37.5-24.7+0.5=13.3m。原设计地下室采用抗浮锚杆单根锚杆的抗拔承载力特征值=535kN,抗水板板厚600mm经核算钢筋锚杆承。
载力设计值Nt=535kN,锚杆按2mx2m布置抗水板计算跨度较小故建议抗水板厚度可以调整500mm。
优化结论:抗水板优化后板厚为500mm,混凝土用量节省约1630立方米;钢筋节省约228吨;总造价节省约176万。
2.3 塔楼基础方案对比
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原设计筏板基础采用整体筏板,筏板厚度3m、局部4米。
优化方案核心筒采用2.5m厚筏板,周边框架柱采用柱墩,中间板厚1.0m。
优化结论:
A塔楼基础优化后混凝土量节省约4576.5立方米;钢筋节省约214.1吨;总造价节省约302.3万元。
B塔楼基础优化后混凝土量节省约4967立方米;钢筋节省约232.4吨;总造价节省约328.1万元。
案例二:长沙正荣悦玺
项目地点:长沙市 
项目类型:公寓 
建筑面积:6万平方米 
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项目地处长沙市雨花区东二环劳动路树木岭立交桥北行800米,东二环旁,高桥CBD集品质住宅、都会公寓、高端商业等业态于一体,打造城心综合体。
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优化结论:经过优化,结构形式由框架剪力墙优化为部分框支剪力墙,钢筋含量由38.63kg/㎡减少到31.99kg/㎡。
案例三:逸都花园逸景地下室
项目名称:逸都花园逸景
项目地址:位于湖南省株洲市金龙路荷塘大道
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总规划净用地面积28418.91㎡,建筑面积75014.91㎡,地下室共一层面积28548 ㎡,地下室325个车位。
以控制地下室总建造成本为目的, 通过整合所有专业对地下室成本的影响因素进行的分析对比,控制土方成本、基坑支护成本、结构桩基成本、土建安装成本、建筑平面成本等,从而实现地下室总造价成本得到合理控制。
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优化结论:
① 增加车位货值:32 x 15万=480万元;
② 减少面积造价:1374.42万元;
成果:节约 1374.42万元。
案例四:沈阳新世界花园住宅二期C区
项目地址:位于辽宁省沈阳市
项目概况:本项目位于辽宁省沈阳市
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规划建设用地面积:122631.71㎡。
总建筑面积:559860㎡,地上建筑面积:454967.9㎡,地下室建筑面积:104892.1㎡。
根据出入口位置确定主车行道。主行车道应清晰明确,行车道主要考虑通达各车位的便捷性,优化后避免多余空间,减少了无效面积。
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优化结论:
① 增加车位货值:1×15万=15万元 ;
② 减少面积所节约的造价:11425.32万元。
案例六:广氮商业项目
项目地址:位于广东省广州市天河区健民四路
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项目概况:总规划用地面积10942.4㎡,建筑面积52630.79㎡,地下室共五层面积28548 ㎡,地下室325个车位。
通过优化柱网布置及停车方式改变,局部柱子转化,五层减为四层。通过此调整,提高了地下室停车效率 ,减少了无效面积。
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优化结论:
① 减少面积造价:1870万元;
② 中风化岩土开挖节省:235万元;
累计降低成本2106万元 。
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五、小结

结构优化,既能降成本又能提品质!

结构设计优化技术在房屋结构设计中的应用,可以达到“物美价廉”的效果,不但实现了房屋的美观、实用,而且在节省造价方面也有突出的效果,其目的是去除结构设计中的无效成本。
在满足建筑结构长远效益的前提下,最大程度地减少建筑结构的近期投资,同时保证建筑物结构的可靠度和品质。如此,才能实现可持续发展,实现更多、更大的市场收益。
 
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END

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