建筑结构的含钢量.doc

建筑结构的含钢量1引言土建工程造价一般占建筑总造价(不包括工艺设备)的70%80%;在土建工程造价中,75%为材料费。一般地,砂石价格为几十元/吨,水泥价格为几百元/吨,钢材价格却为几千元/吨。为了降低造价,要求设计者尽量减小含钢量。有的地方,设计概算的含钢量甚至成了设计能否中标的决定性因素。2含钢量的实际统计值建筑结构的含钢量是指建筑主体结构(不算装修)总用钢量除以总建筑面积得到的一个建筑经济指标,通常以(kg/m2)表示。木结构的含钢量几乎为零,砌体结构较少,混凝土结构较多,钢结构最多。砌体结构以砖石砌块作竖向承重构件,梁板一般为钢筋混凝土构件,需用一定量的钢材。钢筋是钢筋混凝土构件的骨架,配筋多少决定构件承载能力的大小,混凝土结构用钢量太少反而不经济。所以,建筑结构的含钢量有一个合理范围。实际工程含钢量的统计数据,在各种论述建筑经济和造价的著作中有所记载,其数据大多为20世纪90年代以前的。21世纪后,一些建筑工程造价网站发布了典型建筑工程的技术经济指标。作者根据上述统计数据,汇总出各类建筑结构实际的含钢量,见表15.以上表格中的数值,均不考虑地下室和桩基,若考虑桩基应增加10%左右。而单独计算地下室,其含钢量为80490kg/m2(上限为考虑人防)。应当指出,采用轻型钢结构的厂房和住宅,虽然为全钢结构,但它们的含钢量比钢筋混凝土结构多不了多少。3影响含钢量的因素表15的数据说明:即使是同一结构类型的建筑,其含钢量也有多有少,差值可达一两倍。但是,对于一个具体的工程来说,含钢量应该为确定的数值。那么,哪些因素会影响含钢量?3.1自然条件作用在建筑结构上的外力,主要有地震作用和风荷载。处在抗震设防烈度高或者风压大的地区,含钢量高,反之较低。在气候恶劣、温差变化剧烈的地区,为抵抗温度应力,增加抗拉性能优良的钢筋的配置,是工程师常用的办法。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。3.2政策法规长期以来,我国因缺少钢材而对建筑用钢加以限制。从1996年钢产量首次超过一亿吨大关,跃居世界第一位以后,我国钢产量连年增长,并一直保持钢产量世界排名第一的位置。目前,我国钢材年产量已超过4亿吨,国家开始出台优惠政策,鼓励建筑行业积极合理地推广应用钢结构。1997年11月建设部发布的中国建筑技术政策(19962010年)中,明确提出发展建筑钢材、建筑钢结构和建筑钢结构施工工艺的具体要求,使中国长期以来实行的节约钢材政策转变为合理用钢政策。设计规范作为上层建筑,必然反映时代社会经济的特色和需要。短缺经济的主要倾向是竭尽全力去约束消费和限制投资,并伴以过多的行政干预来加以保证。设计规范的低安全度和某些荷载标准值的过低取值,也是短缺经济造成的。为了增强延性和防倒塌能力,主要还得靠合理加大构造用钢量。我国混凝土结构设计规范对各类构件中受拉和受压纵向钢筋最小配筋率的规定,最早引自原苏联规范,取值偏低。2002版的混凝土设计规范,对非抗震结构中受弯、偏心受拉和轴心受拉构件中的受拉纵向钢筋最小配筋率改用特征值表达式和下限值相结合的取值方案,使其取值水准适度提高;通过对抗震框架梁受拉纵向钢筋最小配筋率增加特征值表达式,适度提高了其在混凝土强度等级偏高情况下的取值;适度提高了非抗震受压构件和抗震框架柱的纵向钢筋最小配筋率取值;新增了基础底板最小配筋率的取值规定。2002版规范基于以上理由,对建筑结构的含钢量要求,较之上世纪的规范,有明显的提高,设计试算表明,提高幅度约为5%15%。3.3设计参数建筑专业的设计,对含钢量影响最大的一个方面,是建筑物的规则性,具体体现在开间、进深、层高、平面形状的凹凸、竖向立面的缩进、悬挑等等。如果一座总面积不大的房子,开间、进深、层高各不相同,平面立面多有变化,其含钢量必然很大,这也是一般公共建筑(剧院、体育馆等)比同等面积的住宅办公楼含钢量大一两倍的原因。此外,对于工业厂房,影响含钢量的设计参数,则是厂房的跨度、高度、柱距、吊车吨位和楼面荷载(对多层厂房而言)。吊车吨位200t的重型厂房,采用全钢结构,含钢量300kg/m2并不算多。结构专业的设计,直接左右着含钢量的大小。要想降低含钢量,必须多方案比较。如美国纽约102层的帝国大厦采用的是框架2剪力墙体系,用钢量206kg/m2;而芝加哥110层的西尔斯大厦,采用束筒体系,用钢量仅161kg/m2,比帝国大厦降低了20%。在结构设计中,结构方案选择不合理造成的浪费,往往比配筋计算的不精确造成的浪费大得多。3.4施工变更由于施工变更是在现场提出的,要求尽快实施,没有时间反复计算比较,设计人员凭经验做出答复,这些变更一般偏于保守。另一种常见的情况是因为采购不到设计所要求品种规格的钢筋,必须进行钢筋代换,代换后的用钢量多数只增不减。据决算部门统计,施工变更造价占整个工程造价的比例达10%,有时甚至更多,这其中就有含钢量增加的因素。4降低含钢量的措施4.1优化设计方案建筑师应能同结构师一道,摒弃片面追求新奇,使建筑平面规则整齐,体型简洁协调,设计出自然和谐、美观大方的建筑,从而达到建筑、结构和经济的协调统一。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。例如对高层住宅,一般采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。从承载力方面来看,小开间结构中墙体的作用不能得到充分的发挥。过多的剪力墙(结构的侧向刚度过大),还会导致较大的地震作用。由于结构自重较大,增加了基础工程的投资。大开间剪力墙结构体系与小开间体系相比,使用功能灵活,经济指标合理,是高层住宅设计的发展方向。4.2合理的基础形式一般来说,钢筋混凝土基础(包括混凝土桩)的配筋率并不高,但因其工程量大,耗用的钢筋总量仍是巨大的。所以对基础采取什么形式,必须反复权衡,能用浅基础时就不要用桩基,采用桩基时求短不求长,灌注桩配筋又有通长和二分之一、三分之一桩长的节省办法。此外,采用加固软土地基新技术可以避免使用钢筋混凝土桩,而进行桩-土复合基础的设计,则可减少桩的数量或桩长。凡此种种,每一项均可大大减少用钢量。4.3采用HRB400级钢筋(新级钢筋)级钢筋(HRB335)强度设计值为fy=300N/mm2,新级钢筋强度设计值为fy=360N/mm2,新级钢筋强度设计值与级钢筋强度设计值之比为360/300=1.2;新级钢筋目前的市场价格比级钢筋略高,综合价格比为1.05。若将强度低的级钢筋改为强度较高的级钢筋用于建筑,则可节约钢材约14%(1.2/1.05-1=14%),这是降低含钢量最直接的措施。此外,在板构件中采用冷轧带肋焊接钢筋网片代替普通钢筋,节约率可达15%。4.4采用新型楼盖和隔墙系统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22%左右。楼盖结构多次重复使用,其累计质量占建筑总质量的很大比例。降低楼盖质量,可大幅度减轻建筑总质量,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:现浇梁板式楼盖;井字楼盖;无梁楼盖;预应力框架扁梁密肋楼盖;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。近年出现了许多新研制的楼盖系统,钢筋用量减少10%30%。隔墙费用占房屋造价的12%左右。同济大学建筑设计研究院针对一座上海地区正在建造的28层剪力墙结构的高层住宅建筑作了采用石膏板内隔墙系统与传统砖石混凝土墙体系统的造价和经济性比较。研究表明,在高层住宅建筑中采用轻质石膏板内隔墙体系,主要的土建结构造价(包括楼板、外墙、内墙、梁、基础结构体系等)比传统砖石混凝土体系的土建结构造价降低10%,建筑工程的总造价降低4.27%。4.5设计精打细算,出图准确明白有关资料表明,合理的设计可以降低工程总造价的5%10%,甚至20%。对同一工程同类型建筑进行设计,不同设计人员设计方案的钢筋含量相差竟达20kg/m2以上(多用钢材38%)。例如,在实际设计过程中出于方便施工、提高设计效率等诸多目的,会对构件进行分类归并。为了能涵盖面广,往往会用较大配筋的构件,去包罗较小配筋的同断面构件,以确保结构安全度,这一过程不可避免的会增大配筋。其实应该对电算结果中输出的各层配筋划分区段,使各区段内配筋相差不大,再分段出图。又如,工程中常将二跑楼梯一律设计成板式楼梯。实际上,当梯板跨度大于3m或活荷载较大时,就应设计为梁式楼梯。如一个梯段跨度316m、活载215kN/m2的楼梯,采用板式楼梯时,板厚为130mm,混凝土用量为115m3,钢筋用量为50kg,而采用梁式楼梯时,踏步板的底板厚度为40mm,斜梁截面bh=150mmx250mm,总混凝土用量为113m3,钢筋用量为26kg,显然,梁式楼梯更为经济。此外,很多工程造价的增多,往往是由于施工方对图纸理解不全面或理解偏差所致。当图纸上出现模棱两可的表述时,施工方一般是朝着有利于自身利益的方向去理解,虽然图纸最终的解释权在设计方,但由此造成的浪费往往是既成事实。施工图纸过于简单、粗糙和施工单位技术力量薄弱造成施工中的错误和浪费,屡见不鲜。最后还须指出,文中虽然提出了一些降低含钢量的措施,但并不提倡含钢量越少越好。规范规定了最小配筋率,某些构造和施工要求的配筋却无法量化,如为防止较长结构产生裂缝而配置的温度钢筋及厚板架立筋等等,都是必不可少的。还有一些细部处理需要的构造钢筋,规范没有明确规定,也是结构工程师在具体设计时不能节省的。建筑结构成本谈含钢量控制建筑结构设计原则是：在安全、符合现行国家规范前提下，做到经济合理。作为结构设计师总是希望越安全越好，但作为投资方总是希望成本越低越好。有经验的投资方采用含钢量（每平米钢筋用量=钢筋总用量除以总建筑面积）来衡量建筑结构设计是否经济的标准。这种做法有一定的偏颇，因为影响用钢量的因素很多，大概有以下几种：1、结构类型，如：砖混、框架、框剪、剪力墙等；2、基础类型，如：条基、片筏、梁筏、桩筏等；3、抗震级别，与本地抗震设防烈度、地震加速度、场地土类别、建筑物类别相关；4、建筑物层数，多层、高层、超高层；5、建筑各层平面布局，是否有人防地下室？是否采用框支剪力墙？平面布局是否规整？；只用含钢量来衡量，无法涵盖上述各因素的影响。但如果只是概而论之，再加上具体修正，也能反映出结构设计的经济合理性。根据各种结构类型不同分述如下：一、砖混结构：砖混结构钢筋主要用于以下结构构件1、现浇板（卫生间、厨房、阳台、现浇板带）；2、现浇受力梁（包括悬挑梁）；3、现浇构造柱；4、现浇圈梁；5、配筋砖砌体；6、预制板及墙体内构造、锚拉钢筋；如果建筑平面合理，符合抗震要求，就能减少构造柱、配筋砖砌体的数量，降低含钢量，反之，建筑平面凸凹不平，墙体无法贯通，为满足抗震验算势必要多设构造柱、配筋砖砌体，造成含钢量的大幅上升也不足为怪，甚至可以超过30公斤/m2。如：一个商住小区，砼条基，埋深三米，底层楼板为现浇架空层（底层每套房内有一个房为预制板，在架空层模板折除后封起来），构造柱较多，带观景阳台（面积折半），客厅较大，开间4.5米（板厚12cm),其它楼层板10cm，屋面坡层面（42%可计算面积）双层双向配筋板12cm，卧室和客顶窗带飘窗和空调板（算不了面积）.三室两厅两卫套型为主，钢筋含量达到36kg/m2。抗震设防烈度地震加速度墙下刚性条基墙下钢筋砼条基墙下筏板基础8度区0.30g2224公斤m22426公斤m22830公斤m20.20g2122公斤m22224公斤m22628公斤m27度区0.10g1921公斤m22022公斤m22326公斤m20.15g2022公斤m22123公斤m22527公斤m26度区0.05g1921公斤m22022公斤m22326公斤m2下表列出了砖混结构的经济含钢量（建筑平面规则，现浇梁、板较少，大部分为预制构件）：抗震设防烈度场地土类别框架结构框架剪力墙结构剪力墙结构8度区5560公斤m26065公斤m26570公斤m26570公斤m27075公斤m27580公斤m27度区4550公斤m25055公斤m25560公斤m25560公斤m26065公斤m26570公斤m26度区3540公斤m24045公斤m24555公斤m24045公斤m24555公斤m25060公斤m24045公斤m24555公斤m25060公斤m2上表数据以2级钢筋为准，如采用3级钢筋，每平米可减少12公斤。层数以抗震规范规定的最高层数为准。混凝土用量折算厚度2833cm/m2（建筑面积）。底层框架的底框部分（不包括上部砖混和下部基础）的含钢量约为100公斤/m2（7度区）。二、现浇钢筋砼结构（一般民用建筑）：现浇钢筋砼结构的含钢量和所采用的结构形式、建筑物高度、抗震设防烈度、地震加速度、场地土类别、抗震构件的设防级别、轴网（开间）尺寸、填充墙自重、是否有人防地下室、是否有转换层相关。下表列出了一般情况下（无人防地下室、没有转换层、没有超过9米的大开间）的民用建筑现浇钢筋砼经济含钢量：上表数据以2级钢筋为准，如采用3级钢筋，每平米可减少45公斤。剪力墙结构混凝土用量如下：小高层