试论结构设计精细化

摘要:如今，我国在理论研究、规范编制和管理、专业软件编制以及运用规范和软件进行高难度项目设计的能力等等方面，已经达到国际较高水平。从市场竞争的角度看，对结构设计师进一步的要求是节约材料、降低造价。近年来，这已经成为房地产行业新的关注点。

关键词：结构设计节约材料降低造价

Abstract: nowadays, our country in the theoretical research, and codes and management, professional and applied in the software of the standard and software design of high difficulty project abilities, etc, has reached the international high. From the point of view of market competition, to further requirements are structure designers material saving, reduce cost. In recent years, it has become a real estate industry new concerns.

Keywords: structure design save materials to lower the construction cost

中图分类号： TU318 文献标识码：A 文章编号：

节材能力强弱是衡量设计师技术水平高低的一把尺子

一般情况下，建筑设计的目标是：安全、适用、美观、经济。其中，安全是最基本的目标，必须满足。而在开发商眼里，衡量设计师技术水平高低的标准是：在满足安全的条件下，经济、适用、美观三个目标完成得如何。

优秀结构设计师高超的技术水平可以从如下两方面体现出来：

高难度――完成了别人没有能力完成的高难度项目，最好是率先完成类似的项目――能人所不能。

精细化――对大家都会做的项目，注重细节，认真推敲，尽量优化――人能我优。

设计师往往会特别关注项目的难度，他们认为只有做高难度的项目才能体现出自己的设计水平。长此以往，他们积累了大量的做高难度项目的设计经验。这是非常宝贵的经验。

也正因为如此，他们长期忽视了节材经验的积累，使得设计师在面临市场时力不从心。节材经验的积累同样需要一个相当长的时间。

节材意愿强弱是衡量设计师道德水准高低的一把尺子

甲方把活交给你，无论如何也应该认真做好。我常说“人可负于我，我不能负于人”。

作为一个结构设计工程师，重要职责之一，就是以较少的材料去完成建筑物各种功能的要求。如果将构件截面任意加大，材料用量任意增多，这样的工作，建筑师也能做。

理论上有很大的节材空间

机械设计讲求协同工作，各构件的协同工作度越高越好。

在建筑结构的概念设计中，也应让各个构件均同时受力。当然，同时达到满应力状态更好。最理想的情形是，在控制性受力组合下，所有构件的各个截面，均同时达到满应力。这个方法我们称作“满应力设计法”。针对于任何一个特定的建筑方案，我们都能找到很多这样的结构受力方案。

另一方面，还应考虑当下的施工水平、材料生产供应条件。要考虑方案的可行性。

在基本满足上述两方面的既受力合理、又可行的众多方案中，我们可以认真比选出一个相对最优的方案，作为实施方案。

这仅是我们的美好的愿望，是不可能完全做到的。也不允许完全做到。也就是说，找不到最优的方案。只是我们目前的所作所为，离我们的目标差得很远。举例如下：

大家都熟悉的构造柱和圈梁，是砖混结构中的用钢“大户”。但它们在竖向力作用下都没起作用，此时，它们是废物。

框架梁，无论是在水平荷载作用下，还是在竖向荷载作用下，均是梁端弯矩最大，但很少有设计师据此将框架梁设计成变截面的加腋梁。

跨度相差很大的框架梁在同一结构中并存。在水平力的作用下，短跨梁其主要作用，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大。而在竖向荷载作用下，短跨梁基本不起作用。

连梁，在竖向荷载作用下，作用很小，此时，其为浪费。而次梁和楼板在水平力作用下，不起作用，此时，其为浪费。

在高层结构设计时，常常不可避免地出现短柱。地震往往使短柱率先破坏。

在抗震设防地区，我们限制框架柱的轴压比，使得在竖向力作用下，这些柱的作用没有充分发挥。

当然，也有比较成功的例子：在大跨度、大空间结构中广泛使用的空间网架结构，材料利用率高，应力水平高，值得借鉴。

因此，我们目前常见的结构方案，我们都有必要去认真地思考、推敲和优化。从什么样的结构体系应力最满？到什么样的板、梁、柱、基础效率最高？到什么样的配筋方式最合理？

在计算机如此发达的今天，还有一些结构，为了受力明确，或者为了计算方便，按照习惯，将构件按所起作用不同进行了分类。结果是不经济的。最好是，一个构件，在所有主要受力组合下都起作用――如同用人一样，身兼数职效率最高。

实际工作中，我们常常怕别人认真地问“为什么？”，这是因为，有些问题常常很难回答。很难回答的根本原因是我们没有考虑清楚。如果一个工程存在难以回答的问题，至少说明这个工程有可以优化的空间。问题越多，优化的空间越大。

发达国家也节材

在发达国家，节约材料也是工程师所追求的。

1998年美国《商业周刊》登载由美国建筑师学会（AIA）举办的最佳建筑设计竞赛，"节省材料"是该次竞赛的主题之一。纽约时报新印刷厂的设计，因采用规则的矩形平面和常规材料，节约五千万美元而获奖。

又如香港中国银行（贝聿铭设计），因其结构方案布置得当，比同样高度的其他结构大量节约钢材，所以许多重要杂志上都刊登文章予以表扬。

深圳某超高层建筑，美国的设计公司提出的用钢量，比我国实际设计得要低。在建筑用钢量方面，我们国家已经接近国外，不少建筑已超过国外（在相同的条件下）。

近年来，我国的个别项目在国际会议上受到批评，也是因为浪费。

在某些情况下，按我国规范设计的构件，配筋比按西方规范多。如美国规范，对于砼结构最小配筋率，有条件地放松了限制，使得筏板的配筋，在一定情况下，可以比我国规范的规定更少。

在节材方面，美国已经形成了一个惯例：节约下来的建安费，优化方得30%。

怎样节材？

工程设计的整个范畴非常大，我们坚信，其中任一方面都可优化。可是，目前工程优化所涉及的范围还很有限。这主要是因为理论研究与生产实践没有很好地结合。

针对目前的现状，至少可以从以下几方面着手：

1.首先是要重视现场调研。一方面，作为一个个体，每个项目都有其特殊性，不能以为某项目与另一项目相似，就盲目沿袭另一个项目的做法。这样很可能使结构整体或局部安全度偏大或偏小。另一方面，设计师往往更关注项目的不利条件，同时忽视项目的有利条件，这肯定会造成一定的浪费。现场充分的调研，可以更客观地认识手头的项目，利用好上帝分给本项目的资源。例如，某项目周边的项目均采用桩基础或复合地基，现场调研发现，周围所有项目均未发生与地基有关的问题。经过仔细勘探试验，该项目最终采用了天然地基。另一项目，地勘单位根据当地经验，建议采用桩基。经现场调研，发现本项目有其特殊性，再次论证后，改为天然地基。现场调研还可了解到当地的政策、价格方面的信息，如512大地震后，四川的粘土砖价格短期内就上涨了几倍。

2.要重视方案优化――凭设计师的设计、施工、材料等多方面的经验+无数遍的计算。北京某项目，我们提出采用隔振结构方案，这与马路对面的另一个功能相同、体量相似的项目的结构方案完全不同。甲方质疑。后来，在全国范围内请来专家进行论证。专家们对我们的方案给予了充分肯定，认为我们的方案是安全、合理、经济的。山西一个项目，我们在优化时，充分运用我们的施工经验，考虑了施工对造价的影响，提出了综合成本最低的方案。施工决算表明，该方案是很成功的。

方案优化需要很广的知识面。这方面的例子很多。比如，有一种结构叫模网结构，其试验结果对我正确把握剪力墙的设计有帮助（本来规范已经规定允许这么做，但考虑种种原因，总是不敢这么做。当心理没底时，总想保守一点。看了报告，才彻底放心了）。

当然，计算手段也很重要。例如，变截面筏基，必须采用有限元程序才能算得清楚。复杂结构，也必须采用相应的程序来算才行。

3.要强调精细化设计――凭责任心+认真计算。山西某住宅，27层，7度半，地上、地下平均用钢量为38.8～41.28kg/m2 。共节省1700万元，其中，由于结构方案优化带来的节省约800万元，由于精细设计带来的节省约300万元，由于辩证理解规范带来的节省约600万元（该项目未来得及认真沟通）。同样方法用在陕西某住宅， 27层，8度，地上、地下平均用钢量为45kg/m2。湖南某住宅，27层，6度，地上平均用钢量31kg/m2。

4.沟通――与建筑师的有效、充分沟通很重要。设计之初，建筑师特别希望告诉他，怎么做才能经济合理。只有当方案完成了，他们才会感觉改起来不方便。各个专业之间，不能各个专业自扫门前雪，只有综合的优，才是真正的优。任一专业优，都不算是优。

与开发商的有效、充分沟通同样重要。不能人云亦云。唐山王总判断力很强，很希望多提不同的想法。山西昝总，凡大事都要征求设计师的意见。总的感觉，他们决策时还是很需要技术支持，很愿意沟通的。SK大厦沟通得顺利，结构节省了6000万元。

5.正确地、辩证地理解规范――要开动脑筋。比如，70年代末80年代初，国内对高层建筑的稳定问题经验不多，心理没底，就在规范中规定了结构高宽比的限值。但是，几十年过去了，大家还拿这个条文来约束建筑师，就不妥了。

6.要非常敏感地搜集新的相关信息，包括新的设计理论、新的材料产品、新的构造做法等等。包括国内、国外的所有成功的经验。例如：

a)过去框架梁的截面高度一般取跨度的1/8～1/12。现在，我们的框架梁高度做到了跨度的1/20到1/22。北京前门的供电局办公楼，8米柱网，框架梁的高度为400mm，早就投入使用了，效果很好。一些高档的写字楼，幕墙的造价与整个结构的造价相当，所以结构应该顾全大局，梁矮一点可能浪费一点，但是整体而言还是合算的。尤其是当总高受限时，减小层高，除了可使幕墙更经济以外，还可以多一两层的销售面积，这样算下来就更划算了。

b)预应力管桩基础的材料和施工费用，近10年来逐年下降，现在已经比10年前下降了很多。预制桩的施工机械也比以前先进很多，大吨位的静压桩机的出现，使工作效率大大提高。施工过程也更加环保。这些使得预应力管桩的应用日趋广泛。

我们已经跨入信息时代，这只是说我们可以非常快地获得巨量的信息，但我们只能消化这些信息的很少很少的一部分。实践证明，知识的实际传播速度还是相当慢的。比如，进入二十一世纪后，我们国家一直在鼓励使用高强度钢，既经济又环保，利国利民。可至今还有很多设计师没有重视这个问题。再举一个例子，纯地下车库采用无梁楼盖较肋形楼盖经济，这个结论在很多很多的资料上都有介绍，但至今还有很多项目采用肋形楼盖。因此，在信息时代，我们仍然要非常敏感地搜集相关信息，同时要积极消化、应用它们，转化为实际经济效益。

7.全面推行“满应力设计法”，甚至是“全极限状态设计法”。

近些年来，我们在节材方面已经进行了一些有益的尝试，并取得了很好的效果。这主要得益于计算技术的发展。

其通常的做法是按既定的结构形式、材料和荷载，建立数学计算模型，然后进行搜索、逼近，以实现结构重量最轻或造价最低的目标。因此，优化变量仅是组成结构的基本构件，优化目标仅是结构局部的某个变量的最优。例如，目前的空间网架结构优化设计软件，就是采用“满应力设计法”，将目标锁定为网架部分结构重量最轻。

结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。一般情况下，除强度以外的极限状态均为正常使用极限状态，如变形、裂缝宽度等。若结构构件由正常使用极限状态控制，则一般应当选择较低等级的材料。例如，钢梁的截面尺寸若由挠度控制，即使选用Q235钢材，强度可能还是有余量，自然选择Q235钢材更经济。又如，混凝土构件截面配筋量由裂缝宽度控制，则应该选用强度较低的钢筋。理想的状态是结构的刚度和强度均刚好达到限值。这就是“全极限状态设计法”。

8.定性与定量相结合。

真正理想的优化设计应当在方案、初设、施工图三个阶段全面展开，设计、施工、甲方、监理、销售、材料生产供应各方参与，而且定量分析和定性分析相结合的情形下实施，并非完全依靠数学工具进行定量分析。

定性优化分析应用于结构设计的初期，具有宏观指导作用，可以使优化效率提高，优化效果更显著，也能避免一些计算上的错误（利用计算机常常会算错，最终还是要靠人来判断）。

9.要勇于做弱，不要一味求强。足够的强当然最好，但费用将会巨大；半强不强肯定不好；符合科学原理地做弱可能更安全。如：

玻璃与框之间一定要留缝，否则易碎。

鸟巢看台与外钢架竖向分开，水蛋上下分开。

复合地基必须加褥垫层。

规范对砼梁纵筋的配筋率有限制――绝对不允许过多。

规范对钢结构节点板厚度有要求――不能太厚。

中铁大厦两塔相连，当代MOMA多塔相连，均属弱连。

主楼、裙楼在一起时，应分缝完全断开，或主楼地基加强，或裙楼地基做弱。

规范允许砼连梁刚度或内力可折减50%，即大幅度做弱。其它梁支座也可适当做弱。至少不能比柱强。

砼墙有时也应做弱，甚至取消，如凤凰城二期即取消了部分墙，否则算不下来。

西安雅x大厦一侧过强，512地震，另一侧震坏了。中关村海关，同样偏心严重，玻璃碎。

上部刚度较大者称上刚下柔，更甚者为鸡腿结构。正是因为上部过刚，规范才要求将下部的力应×1.15放大。即使这样加强也不一定能保证安全。

底框砖混被公认为是抗震性能很差的结构形式。在地震灾区现场，经常能看到底框砖混结构首层被震坏的情形。但我们也常常能看到底框砖混结构首层完好，二层破坏的情形。这是因为当底层刚度过大时，二层变成了相对薄弱层。因此，规范规定，首层的刚度不能大于二层！――也就是要求首层一定要弱！

暖气管（空调水管）的软接头或弯头，保护了埋件和主结构。

地震时，木结构不倒，是因为木结构软，也因为其连接弱。

规范规定，砼框架梁上铁截面积应＜下铁的2倍。这样才能保证梁端塑性铰的延性。因此，不能随意加纵筋，即使三、四级框架梁。

生活中也如此：钓鱼时，小鱼可以直接用力，一下就拽上来了；大鱼也用同样方法的话，鱼一摆尾巴就把鱼竿拽断了，也可能把你拽下去了。要想把大鱼钓上来，现实的办法只有一个：先施小力，别让鱼竿断了，随着鱼跑，等鱼的生物能量耗光了，你就胜利了，鱼就是你的了。――日本经常地震。古代日本认为，日本岛下面住着大鲶鱼，一旦鲶鱼不高兴了，只要将尾巴一扫，于是日本就要发生一次地震。我们必须明白，当那条大鱼要好好活动活动筋骨的时候，硬扛是最愚蠢的，最好的策略，就是把“鱼竿”做得既柔软又有很好的韧性。

也如同穿鞋一样，鞋垫是该软的部分，该软的不软是很难受的，皮肉容易受伤。

什么样的结构是好的结构

好结构一般具有如下特性：

满足建筑要求，基本不影响使用。

较经济。

较方便施工。

工期较短。

符合强柱弱梁、强剪弱弯、强主体弱维护、强节点弱构件、最强锚固、较弱楼梯的原则。

赘余度高，具有多道防线。

遇突发事件时，不会发生连续倒塌。

对设计质量较不敏感。

对施工质量较不敏感。

对材料质量较不敏感。

对隔墙布置和隔墙刚度、强度较不敏感。

对楼梯布置较不敏感。

对地震的发震地点、震源深度、频谱特性、地震持续时间较不敏感。

节材是否会影响结构安全？

设计师绝不会拿性命开玩笑，无论是自己的还是别人的，均不会。不会拿自己的职业生涯开玩笑，不可能把项目当实验品，只有成熟的安全可靠的理论才会采用。我们的项目都是要注册结构师、建筑师、设计院三个章盖齐的。更何况还有施工图审查单位的外审程序把第二道关。许多人不知道的是，现在我们的项目都在正规的保险公司投了保，这是第三道保障。

设计师对待自己的项目就像对待自己的孩子一样，可重视啦，项目开始，就如同自己的孩子降生，肯定是倾其所能，谁都想尽量做好，谁都会尽量避免出问题，哪怕是不影响安全的问题。可以这么说，只有设计错误才会导致结构不安全，设计师绝不会故意让结构不安全的。而设计错误与节材没有直接关系，节材不可能导致设计错误。反倒是（我们体会很深），因为节材的任务在身，则逼迫设计师去把已经很长时间都尚未弄明白的事，这次要弄明白了。原来粗粗一算或者直接估一下就完的事，现在要认认真真地去算了，这样肯定会减少错误。

实际上，按我国现行规范，抗震安全度大于抗风安全度，也大于承受雪荷载、活荷载的安全度。

地震、风载、雪载、活载比较表3.8-1

从设计目标角度考查，小震与风载、雪载、活载一样均按“不坏”考虑，从重现期的角度考查，小震与风载、雪载、活载的相同，均为“50年一遇”，但从超越概率的角度考查，小震比风载、雪载、活载高很多，这是由于在地震的超越概率统计时略去了不会造成建筑损坏的低于4度的地震。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。