浅析高层住宅结构设计中的含钢量控制

李雅杰

随着我国经济建设的高速发展，国家对土地出让方式的政策也日臻完善，城市可用于住宅开发的用地逐渐减少，土地价格和国家各种规费的大幅度提高，特别是国家这两年对房地产行业采取了各种宏观调控措施，于是占地面积小的高层住宅便成为房地产开发的主要方向，也是城市居民居住建筑的主要形式之一。在这种大背景下，项目的成本控制开始前所未有的被重视起来，而首当其冲的就是土建成本，其中结构成本更是从严控制，由此投资建设方都不约而同地把眼光盯向结构用钢量指标。除了建筑设计方案之外，房地产公司经常以单体建筑的含钢量作为衡量设计院水平的标准，特别是房地产公司通过多年的开发经验，积累了含钢量的一般范围，在合同洽商阶段会将含钢量指标写入相关条款，要求设计方严格遵守执行，为此如何在保证结构安全的前提下，进一步满足工程项目的经济性成为建筑结构设计面临的一项挑战。由于高层住宅结构的含钢量是影响其总造价的一重要技术经济指标，实践中控制含钢量不仅仅是单一结构专业设计人员的任务，同时也需要建筑、电气、暖通、给排水等专业的通力配合。本文试图通过高层住宅剪力墙结构含钢量影响因素的分析，结合工程实际经验，从以下几方面就高层住宅结构设计中如何控制含钢量进行探讨，提出了优化设计处理方法和措施，以达到科学经济合理的设计要求。

1.建筑方案设计阶段

1.1平面体型的规则性和均匀性对含钢量的影响

平面体型的规则性和均匀性对含钢量的影响很大，建筑平面布置外凸与内收程度，以及由此形成的建筑物平面刚度和其是否突变等，均对XY轴双向的动力特性会产生较大影响；两个方向的刚度差异也会导致不均匀性，从而直接影响整体刚度和配筋，这也是为何平面布置较怪（如风车型、工字型、U字型）的高层住宅比规整的高层住宅造价高的原因之一。

1.2竖向高宽比对含钢量的影响

竖向高宽比对含钢量的影响与上一条不相上下，对高宽比大的高层住宅而言，为保证整体稳定性必然要增强其侧向刚度，亦即为满足建筑物抗震、抗风和舒适度的需求，就要保证结构的侧向位移控制在规范要求的范围内，也就是要相应提高抗侧力构件的含钢量。

1.3总高度的变化对含钢量的影响

由于设计的高层建筑多为A级，且大部分的结构布置形式为剪力墙结构，以7度设防地区为例，按照规范80米限值，小于80米的抗震等级为三级，大于80米的抗震等级就提高一个级别为二级，含钢量随之便有一个明显的上升变化。

1.4转换层对含钢量的影响

一般情况下转换层配筋量相当于2～3个标准层的配筋量，而且由于转换层造成竖向抗力构件不连续，转换柱或墙体的配筋也较大，故应以尽量避免或减少转换为基本设计理念。

1.5层高的控制对含钢量的影响

设计经验表明层高的控制对含钢量控制也有较大意义，有数据显示，层高每增加10厘米，含钢量增加约1.0KG/M2。

1.6抗侧力构件的布置对含钢量的影响

抗侧力构件的布置对含钢量的影响亦不容忽视，构件布置合理容易使刚度中心和质量中心接近，从而充分发挥抗侧力构件的扭转刚度，能够保证扭转位移比在规定限制内，可以避免抗侧力构件数量过多和位置不合理造成的多筋超筋现象。

1.7建筑立面造型及细部处理对含钢量的影响

建筑立面丰富，细部构造复杂对含钢量控制也有一定的影响，据有关统计建筑风格为托斯卡纳风格的建筑立面，以及带有转角窗、凸窗、飘窗等细部构造节点大样并采用钢筋混凝土形式时，含钢量能增加0.5～1.0 KG/M2。

2.结构计算——应选取适用的荷载

当建筑物高度增加时，水平荷载（风荷载及地震作用）对结构起的作用越来越大，除了结构内力明显加大外，结构侧向位移增加的更快，弯矩和位移与高度成指数曲线上升关系。一般而言多层和高层建筑结构都要抵抗竖向和水平荷载作用，但是在高层建筑中，其结构要更多的抵抗水平力，抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题；在地震区，地震作用对高层建筑的威胁也比多层建筑要大。因而在结构计算中荷载输入值的选用是否正确，关系到整个工程项目的含钢量是否正常，亦应认真对待。例如填充墙开窗门洞处，应尽量精确选取线恒载，不得随意加大。之前，在方案选择时应建议建筑专业尽量采用轻质材料，减轻结构自重。高层建筑室内填充墙宜采用各类轻质隔墙。，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可降低 10%左右，而 GRC（玻璃纤维增强水泥的简称）轻质墙板容重仅相当于同厚度粘土砖砌体密度的 1/3，大大减少了结构荷载，降低了整个建筑的梁、柱及基础的截面积和含钢量。

3.结构布置——优化设计，适当减少剪力墙数量

在高层建筑结构布置时，应注意适当减少剪力墙的布置数量。而对于剪力墙暗柱箍筋形式设计时，应尽量避免重叠，因重叠部分不计入体积配箍率。当约束边缘构件小箍筋采用封闭箍，构造边缘构件在剪力墙高度 2/3 以上（从地面算起）采用封闭箍和拉筋间隔放置。纵向钢筋可选两种直径，“角部”放置较大直径钢筋。例如连体方案建筑由于连接部位采用大开间剪力墙布置，减少了剪力墙的数量，在满足规范限定指标的情况下，可减少含钢量。实际经验表明加大剪力墙布置间距，减少剪力墙数量，是减少含钢量的有效措施。当然也要注意由于连体方案平面长宽比较大，只有在低烈度地区才有减少含钢量的优势，是建筑物体型中平面长宽比影响因素的特例。实践中应在规范允许的范围内进行优化设计，适当减少剪力墙数量，加大框架梁跨度；与建筑专业协商，开间布置避免错位，减少由于框架梁错位而增加的竖向构件，一旦结构布置经过优化，钢筋单方含量和混凝土含量即会相应减少。高层建筑地下室底板建议采用带柱帽的普通钢筋混凝土无梁楼盖，地下室其余各层、地下室顶板、裙楼和住宅塔楼的楼盖建议采用普通钢筋混凝土梁板楼盖。对于细部构件布置，当两轴尺寸接近时，采用双向板布置；当两轴尺寸差别较大时，采用单向板布置。

4.水平构件——应该路径简洁、形式合理

水平构件的布置应使传递荷载路径简洁，以最快的方式将楼面上的荷载传递到结构主体上，再由结构主体的框架柱、剪力墙等竖向构件传递到基础和地基。如果采用的平面构件布置荷载需要经过多级次梁再传递到框架梁，就使得荷载传递路线曲折不明确，造成构件受力复杂，一定会增加工程造价并影响含钢量的控制。同样，构件形式的选择也是这个道理，以地下室梁板式底板与平板式底板的比较为例，带桩基础的地下室底板，采用梁板结构要比采用平板式结构可节省用钢量，但如果柱网中添加了次梁，则不仅使施工更为复杂，而且还会增加用钢量，这一点已在大量工程中得到验证。

5.结构材料——宜采用高强度钢筋

一般的办公、住宅建筑，荷载不太大，但因为要满足电线埋设等要求，板厚不宜小于100mm；而普遍的结构布置原则，板的跨度不宜太小，应使板的配筋由内力控制而不是按构造配置。为此，楼板配筋应尽量采用 HRB335 或 HRB400 才能实现上述目的，实际经验表明采用高强度钢筋可以节省用钢量，而混凝土强度等级对减小配筋的作用很小，不管楼板是构造配筋还是计算配筋，采用 HRB400 钢筋可有效降低含钢量。楼板结构混凝土及钢筋用量一般与建筑层数无关，若采用新型楼盖体系和高强钢筋可以更有效地减少含钢量。采用高强度钢筋，简支边支座钢筋的数量没有减少。由于住宅板跨度较小，采用高强度钢筋后，板底配筋大部分仍为构造配筋，因此，节省钢筋的数量比理论计算数值减少。板垮越大，节省的钢筋越多。

6.结构施工图——不可忽视的微调

当最后进入结构施工图阶段，除了细化初步设计的成果外，还需要对结构计算结果进行进一步微调，柱、剪力墙、梁、板和节点的配筋需进一步斟酌，结构的薄弱部位不要超过计算书的10%，一般为不小于5%。此外关注点也还要放在竖向构件的含钢量控制上（其含钢量约占40%～50%左右），如果仅需要构造配筋，水平筋可考虑用直径8mm，竖向筋可考虑用直径8mm、10mm间隔布置。

严控墙、板和梁配筋，剪力墙和板配筋符合构造要求的，按规范最小配筋率进行设计。如果加强区为200mm或250mm厚的墙水平筋Φ10@150可改为Φ10@200；对非加强区200mm厚的墙水平筋 Φ8@150可改为Φ8@200；若竖向筋Φ10@200 亦可改为Φ10/8@200。梁配筋将30层分9个标准层进行设计。

对于剪力墙体系和短肢剪力墙体系的含钢量控制，如果层数在20～30层的住宅，最好采用传统的全现浇剪力墙结构体系。否则若采用短肢剪力墙，体系就会变得较柔，结构顶点位移和层间位移就不一定能满足规范要求，且“高规”对短肢剪力墙的配筋有了更严格的控制，因而含钢量将会进一步加大。

7.结语

高层住宅项目的含钢量控制，不仅是单纯依靠结构工程师，也需要得到业主和相关专业的支持与配合。同时含钢量的控制不仅仅是结构设计单一阶段的任务，而是应贯穿于项目设计的全过程，从项目建筑方案初始即要在宏观上做到布局合理，科学定案；又要在微观上做到周密慎重，一丝不苟，这样才能达到既安全有经济的目的。

具体到多高层住宅钢筋混凝土结构设计中的含钢量控制，需要从结构方案即开始入手，重视结构概念设计，选择合理的结构体系，通过多方案比选，确定经济的结构布置方式。在施工图阶段力争精确选取适用的荷载，采用适当减少剪力墙数量、地下室平板式底板和优先选用高强度钢筋及高强混凝土等一系列结构技术措施。细化设计，从地基基础、地下室、上部结构的墙柱梁板等全方位构件着手，在满足规范构造要求的前提下，确定构件的合理截面尺寸及经济配筋，努力做到结构安全适用、技术先进、经济合理、方便施工。