浅谈结构设计阶段中的土建成本控制
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【摘要】随着房地产市场竞争日趋激烈，土地成本逐渐上升，如何在设计阶段实现成本控制成为整个土建工程造价控制的重中之重。如何在设计阶段实现土建成本控制，完成建设方提出的限额设计要求成为结构工程师们所面临的重大课题。本文通过对建筑结构单体从计算和构造两方面进行分析，从技术层面为结构工程师如何在设计阶段控制土建成本提供一种设计思路。
【关键词】成本控制；设计阶段
Abstract With the increasingly fierce competition in the real estate market， land costs rise gradually， how to implement the cost control in design stage become top priority of the whole civil engineering cost control. How to implement civil engineering cost control in design stage， complete the quota design requirements put forward by the project owner， becomes a major subject structure engineers. In this paper， through the analysis of the structure of the monomer building from two aspects of calculation and structure， from a technical level as a structural engineer in the design stage construction cost control to provide a design idea.
Keywords cost control；design stage
1.引言
我国房地产行业经过十几年的爆发式的发展，在国家的房地产政策的调控之下渐趋理性，同时也使房地产行业逐渐步入低谷期，促使房地产开发企业对土建控制成本的要求也越来越高，开发商均提出限额设计的要求。
土建工程的造价控制应按照投资决策阶段、设计阶段、施工阶段和项目竣工阶段来进行整体控制，而其中设计阶段会对整个工程的造价控制造成直接影响，虽然工程项目设计成本占整个项目总投资比例不超过3%，但项目的设计阶段对整个项目成本的影响却可达到75%以上[1]，因此，设计阶段是土建工程项目实施成本控制的关键。
从绿色环保方面来看，建筑土建所用材料钢筋与混凝土均为高耗能材料，在几近全国均出现雾霾天的今天，也要求房地产行业在土建设计阶段尽量优化设计，节约高耗能材料的使用量。
关于在设计阶段如何进行成本控制，目前均是在建设方的角度从制度管理层面进行论述[2]～[9]，尚未见从技术层面论述的文章。
本文则从技术层面对如何在设计阶段控制土建成本进行逐步分析，为同行设计人员提供一些参考意见。
2.设计阶段土建成本控制分析
设计阶段的土建成本控制，主要分三个阶段，即方案设计阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。方案设计阶段结构工程师可主动干预的内容较少，故本文不做论述。本文将在结构类型确定的情况下，如何优化设计，实现设计阶段土建成本控制展开论述。
建筑单体的设计主要分上部结构和基础结构两部分。
基础结构部分主要涉及基础选型、桩型选择等内容。基础部分因涉及因素较多，如地质情况、地方习惯做法、地方政策规定和沉降要求等，存在的可变性较多故本文不做展开论述。关于桩基部分，概况来讲，只要设计人员通过不同桩径、桩长进行试排桩，从而获得实现较小的排桩系数（桩数与单桩承载力设计值的乘积与整体结构总重的比值，如有地下室则应考虑低水位时的水浮力的有利作用）下的排桩方案和同桩径条件下最小总桩长，一般可取得较好的经济效果，达到控制成本的目的。关于这一点，对于大部分设计人员，只要多做计算，一般都是能做到的。而确定排桩方案后，基础类型也将随之确定。
关于在上部结构设计中如何控制土建成本可归纳为：选用合适的优化的结构计算模型、充分利用构件的强度、采用较高性能的材料和减法设计等几个方面。
2.1 结构计算模型
选用合适的优化的结构计算模型，可以在设计计算阶段降低配筋计算值，从而达到控制成本的目的。
而在计算阶段控制计算配筋值，则主要是通过减小整体结构的地震效应、减小平面扭转效应、充分利用由层间位移要求决定截面尺寸的构件的承载力和采用减法设计来实现。
对于如何实现在满足规范要求层间位移限值的前提下尽量减小平面扭转效应的目标，从整体概念来讲，就是尽量相对增大结构的抗扭转刚度，同时尽量相对减小结构的平动刚度。
我们知道对截面主形心的轴惯性矩和极惯性矩为（图1）：
（1）
从上式可以看出，离截面形心越远的单元体对截面的轴惯性矩和极惯性矩贡献越大。
对于空间结构而言，结构的楼层抗侧移剪切刚度是楼层各竖向抗侧力构件的剪切刚度的总和；而各竖向抗侧力构件的刚度由各构件对自身形心轴的截面惯性矩、层高和约束条件决定；而楼层的抗扭转刚度却是各竖向抗侧力构件对楼层刚度中心的极惯性矩、层高和约束条件决定。
假设楼板面内位移符合刚性楼板假定，若忽略剪切变形，则楼层的平动刚度Kx、Ky和抗扭转刚度Kp可表示为：
（2）
式（2）中，H为层高，E为弹性模量，Ixi、Iyi为竖向杆件对自身形心轴的惯性矩，Ipi为竖向杆件对楼层刚度中心的极惯性矩，αi、βi、ζi为与约束条件（梁约束）有关的系数。
显见，楼层平面中离楼层平面刚度中心越远的抗侧力构件对楼层抗扭转刚度的贡献远大于抗平动刚度的贡献。
这也为空间结构构件如何布置实现控制扭转和减小地震效应提供了指导思路，即在满足建筑要求的前提下尽量相对增大周边结构构件的截面尺寸，和在满足结构构件强度的前提下尽量相对减小中间部位结构的截面尺寸。
具体来讲，对于框架结构，就是尽量相对增大边梁、边柱、角柱的截面尺寸（角柱的效果更为明显），同时尽量相对减小内部框架柱、框架梁的截面尺寸；对于剪力墙结构，则是将山墙的剪力墙尽量做足，同时相对尽量减小平面中间部位的剪力墙数量、剪力墙墙肢长度和连梁截面尺寸；对于框剪结构，则是以上两者的结合。当然，对于相对减小平面中间部位结构构件截面尺寸，特别是框架梁，也存在尽量减小构件截面尺寸和求取较小配筋率两者之间的矛盾统一问题；对于剪力墙，则还得考虑轴压比、墙下排桩等因素。
如此，也因为解决平面扭转效应问题，从而实现以相对较小的楼层平动刚度达到规范层间位移限值的要求，同时也达到减小整体结构地震效应的目的，并能获得较为理想的扭转、平动周期比。这也是减法设计的一种体现。
减法设计的另一种体现，为尽量减小层间位移有富余量的楼层的抗侧移刚度，从而达到减小整体结构的地震效应、减小配筋计算值，和解决局部楼层层间位移不满足规范限值要求的情况。对于结构设计计算指标不满足规范限值要求的情况下，大部分设计者是采用加法，而合理的设计思路则应是先采用减法、后采用加法。
以上论述也是结构计算模型调整的一种指导思路。
2.2充分利用构件的强度
对于如何充分利用构件的强度，可以从楼板、梁和柱（剪力墙）这三个方面进行展开讨论。
我们知道，随着社会进步，电气专业在结构楼板内埋管越来越多，而电气埋管决定了结构楼板不可能太薄；考虑电气埋管，楼板的最小厚度需110mm，有些地方政府直接要求楼板最小厚度为120mm；若考虑楼板混凝土保护层厚15mm，板上下共4层C8，2根交叉，25mmPVC管，共计所需楼板厚度为112mm，故定楼板最小厚度为120mm是适当的。对于120mm结构楼板，如何确定楼板支承梁的间距，充分利用楼板的抗弯曲刚度和承载力，是在楼板层面控制用钢量的关键，特别是对于框架结构的民用建筑。由于规范对楼板有最小含钢率的要求，故一般情况下，对120mm厚的结构楼板设计为单向板是不经济的；而采用双向板，最合适的板跨在4.2m左右，由最小含钢率配置确定的结构板抗弯曲承载力基本能用足，故对于柱距不大于8.4m的框架结构，中间设一道次梁较为经济。对4.2m跨双向板试算见图2和表1。
对于框架梁，由于空间结构两个方向均有刚度（位移限值）要求，决定两方向框架梁截面不会相差很大，理想的设计是做到空间结构两方向刚度大致相当；从水平位移反推受力，梁截面刚度又决定梁的大致受力，特别对于抗震区的建筑尤为明显；如何充分发挥框架梁的抗弯、抗剪承载能力，是做到设计经济合理、控制结构用钢量的关键之一。从这方面考虑，要求楼层次梁尽量双向布置，从而也决定结构楼板大部分为双向结构板。
对于梁，还有一点必须指出的是，梁箍筋在结构用钢量中占据较大的比例，这是大部分结构设计工程师所忽视的，故如何合理配置箍筋也是控制控制用钢量的关键。这也是尽量少布次梁，充分利用结构楼板抗弯曲承载力的原因之一。
对于剪力墙、柱等竖向构件，特别在地震力作用下，在整体指标满足规范的前提下，微调与其相连接的同向水平构件截面尺寸，尽量调低计算配筋值。对竖向构件，还需指出的是，应注意控制轴压比，以求降低柱和暗柱的体积配箍率要求、尽量使暗柱满足构造边缘构件设置要求，这原因类同梁，是考虑箍筋占用钢量中的不可忽视的较大比重。
下面以常见梁、柱截面及配筋为例（图3）来说明箍筋在构件用钢量中的占比。
从表2中可看出，箍筋用钢量在结构总用钢量中占有较大的比重，这充分体现了控制箍筋用量在控制土建成本中的关键性。对于剪力墙，应尽量控制轴压比，减低暗柱体积配箍率，减少约束边缘构件数量；对于框架柱，目前设计软件并未分别给出X、Y两个方向的配箍计算值，故柱两个方向箍筋在满足计算的前提下应尽量采用相同肢数的箍筋，也应适当控制轴压比，降低体积配筋率；对次梁，应尽量减少次梁设置数量，充分利用结构楼板的抗弯曲承载力；对于框架梁，如箍筋计算值较大，可先尝试适当减小加密区箍筋间距小于@100mm来减小箍筋直径。总之，应尽量多做比较，在细节中达到实现在设计阶段控制土建成本的目的。
2.3 采用较高性能的材料
我国结构安全度总体上比国际水平低，但材料用量并不少，其原因在于国际上较高的安全度是依靠较高强度的材料来实现的[10]；为提高材料的利用效率，工程中应用的混凝土强度等级宜适当提高。关于钢筋，现行混凝土结构设计规范，更是提倡应用高强、高性能钢筋。在由强度控制前提下，适当提高混凝土强度等级和采用高强、高性能钢筋，从结构计算配筋和构件含钢率两方面获得的经济效益是相当可观的，也是在设计阶段如何实现成本控制一种不可忽视的重要因素。
3.案例
漕河泾科技绿洲康桥园区而二期-1项目，地块位于上海市浦东新区康桥镇。地块所在区域抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9秒，基本设计地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组。建有4幢高层办公楼和4幢配套服务用房；其中1#楼12层框架剪力墙结构，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，建筑标准层平面及剖面见图4、图5。
从图4可以看出，建筑平面存在核心筒偏置的问题。
为控制平面扭转，结构设计时，下部几层外框架梁采用400*1200（局部为400*1100、350*800），内框架梁采用350*750，框架柱采用900*900；为减小地震效应，外框架梁从下而上，逐步缩减至350*900（局部为350*750），框架柱从下而上，逐步缩减至700*700。
楼面均采用双向次梁，主要次梁截面250*500，楼板均为双向板，板厚120，局部楼层根据抗震专项审查意见板厚为140。
材料方面：由强度控制的结构构件主筋采用HRB500级钢，其余主筋采用HRB400级钢，箍筋采用HPB300级钢；框架柱混凝土底部采用C45，从下而已逐步降低至C35，其余均采用C35。
标准层结构平面见图6。
还需要指出的是，本号房还存在以下抗震超限问题：（1）在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层的最大扭转位移比大于1.20、偏心率大于0.15，属扭转不规则；（2）二层平面1-3～A-a轴/1-B～1-E轴大堂上空开洞后，两个方向有限楼板宽度小于典型楼板宽度的40%，属楼板不连续、平面特别不规则；（3）首层平面室内外交界处楼板错层高度1.75m>1.20m，属楼板不连续、平面特别不规则。
根据表3，在本文所述控制成本的思路指导下，本工程中较为复杂的单体也能较好地完成甲方提出的钢筋用量不大于60kg/m2，混凝土用量不大于0.35m3/m2的限额设计要求。
4.结语
如何在设计阶段控制土建成本，分基础部分和上部结构部分，基础部分可通过简单的计算比较，大部分结构设计工程师能实现优化设计，做到控制土建成本的目标；对上部结构，则需增强力学概念，控制结构扭转效应，采用减法设计理念优化结构计算模型，降低结构构件的计算配筋值，充分发挥板、梁等水平构件由构造控制截面的构件的抗弯曲承载能力，利用计算和构造要求两方面，实现控制土建成本的目的。
参考文献
[1] 李挺立. 基于价值工程的房地产开发项目成本控制[D]. 北京：北京交通大学，2007
[2] 容茂. 浅议建设单位在设计阶段对工程项目的成本控制[J]. 技术与市场，2014，21（8）：275-276
[3] 张爱国. 设计阶段的成本控制[J]. 管理世界，2013（440）：56
[4] 张青. 房地产规划设计阶段的成本控制[J]. 建筑技术开发，2013，40（11）：58-60
[5] 沈国培. 浅谈土建工程设计阶段的造价控制[J]. 项目管理，2013（2）：32-33，73
[6] 戴金林. 工程设计阶段的土建成本控制[J]. 浙江建筑，2007，24（5）：64-66
[7] 胡震. 浅谈房地产开发设计阶段成本管理[J]. 华东交通大学学报，2004，24（3）：27-32
[8] 王来福，李宏宇. 设计阶段如何控制工程成本[J]. 工程建设与设计，2003（9）：44-45
[9] 杨柏坤，许慧敏，方佳慧. 价值工程在房地产设计阶段成本控制中的应用分析[J].森林工程，2008，24（2）：76-78
[10] GB50010-2010混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010