引言
在民用建筑设计中，结构专业发挥着举足轻重的作用，更是民用建筑施工资源能源消耗影响因素重要来源之一。在初步设计阶段，结构专业设计无论对结构选型设计分析精度、材料选择等考虑得多么细致周全，在实际建设实施过程中不可避免的施工资源能源消耗和损失。
1.结构设计对民用建筑施工资源能源消耗影响因素分析
1.1结构形式
在建筑结构设计中，不同方案的选择对施工中的资源能源消耗有较大影响，如基础形式的确定、竖向构件的布置、楼盖体系的布置、结构类型的选用都会对施工中的资源能源消耗产生影响。据统计，在满足同样功能的条件下，技术经济合理的设计，可降低工程造价10%左右，有的甚至可达到20%以上，也伴随着施工资源能源消耗的减少。
1.1.1主体形式
通常，民用建筑结构体系划分，主要有：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等。
其中，框架结构布置灵活，合理设计的框架结构抗震性能良好，但是侧向刚度较小，在高烈度地区很难超过7层；
剪力墙结构抗侧刚度大，合理设计的剪力墙结构抗震性能良好，但是剪力墙布置受限制，从经济角度考虑，剪力墙间距不宜太密，一般以6m~8m为宜。目前，我国普遍在10层~40层的建筑中使用此结构；
框架—剪力墙结构结合了纯框架和剪力墙结构各自的优点，既满足建筑布置需要又满足结构抗侧力的需要。该结构钢筋、混凝土消耗大，自重大，总高度通长无法超过150m。该体系一般用于10层~40层的建筑中；
筒体结构由四周的剪力墙围成竖向薄壁筒和柱框架组成竖向箱形截面的框筒，形成整体，整体作用抗荷。结构负载大，框架较重，钢筋、混凝土消耗大。
结构选型总结：
在确定建筑方案后,首先了解到的是建筑使用功能,如建筑的用途、建筑的高度及整体布局等：接着应该了解建设地区的地震基本烈度、基本风压工程地质状况、场地土类别,以及当地结构材料供应情况、施工技术条件等。
充分发挥结构自身的优势每种结构形式都有各自的特点和不足,有其各自的适用范围,所以要结合建筑设计的具体情况进行结构选型，以满足最经济，最节约资源能源消耗。
1.1.2基础形式
基础结构的造价与工程所在地的地质条件密切相关，基础工程工期约占整个建筑物主体工程的25%~30%，造价约占总造价的10%~20%，基础工程的重要性显而易见。基础设计时应重视地质勘查报告，地勘报告作为基础设计的依据，会提出建议采用的基础形式供设计单位参考。设计单位在进行基础设计时需要详细的阅读地勘报告，分析项目的地质结构，综合地勘报告的意见后选择合理的基础形式，而不应无视地勘报告中的内容与结构自身的特殊性直接根据设计建议进行设计，这样做势必会因设计中的不合理之处造成资源能源的浪费。
而基础选型首选资源能源消耗低、施工简单、质量易控的形式。
一般的优先选择顺序是：天然地基上的浅基础→人工地基上的浅基础→预制桩基础→人工挖孔灌注桩→钻、冲孔灌注桩→桩筏基础。
1.2主要材料选择及用量控制
我国2010年8月发布的《混凝土结构设计规范》GB50010-2010较之前2002年版的规范，变化较大之一是以HPB300级钢筋取代了HPB235级钢筋，增加了强度为500MPa级的热轧带肋钢筋。本次修订根据“四节一环保”的要求，提倡应用高强、高性能钢筋，推广400MPa、500MPa级高强热轧带了钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335MPa级热轧带肋钢筋的应用。
全面提高钢筋强度，这对节省钢筋混凝土结构的用钢量起到了全面积极的影响。由于新规范中三级钢筋比二级钢筋强度提高20%，价格仅提高6%，设计时受力钢筋选用三级钢筋比选用二级钢筋约可节约钢材12%。2010版规范中一级钢比上一版规范强度提高了28.6%，当用一级钢作为梁柱箍筋时，较之前可节约钢筋3%~11%。
此外选用高强度等级的钢筋作为受力钢筋，混凝土构件的最小配筋率也会相应减小，起到减少用钢量的效果。根据《混凝土结构设计规范》（以下简称《混凝土规范》）中8.5.1条中关于最小配筋率的要求，在混凝土等级相同的情况下，钢筋的最小配筋率随着钢筋强度等级的提高而减小。
《混凝土结构设计规范》8.5.1条中关于受压构件的最小配筋率规定也有相似的规律，全部纵向钢筋的配筋率在选用强度等级为300MPa、335MPa级钢筋时，为0.6%；400MPa级钢筋时，为0.55%；500MPa级钢筋时，为0.5%。对于框架结构或框架-剪力墙结构，柱在满足轴压比限值的情况下，中柱基本上都是小偏心受压构件，按最小配筋率配筋。对于弯矩较大的边柱及角柱，采用高强钢筋也有利于在计算中发挥材料强度，减少钢筋的用量。
当选用高强钢筋不仅计算会因强度提高，使配筋面积减小；对于构造规定的最小配筋率也随着钢筋强度等级的提高减小。可见选用高强钢筋能有效减小结构钢筋用量，相应减小钢筋在施工时因加工、运输、存放、损耗等带来的资源能源消耗。
设计混凝土强度等级的改变不仅会影响混凝土的用量，也会影响到钢筋的用量。采用高强钢筋的同时配合采用高强混凝土可以有效的减少混凝土和钢筋的消耗，有效的降低施工中资源能源消耗。混凝土强度的提高其性能不一定也相应的提高。如强度越高的混凝土脆性越明显，抗裂性能也越差。所以在进行结构设计时，提高混凝土强度等级是一种减小资源能源消耗的方式，但不一定是结构设计的最优方案。
如某两层地下车库，结构面积13242.3m2，标准柱网为7.8m x 8.1m。顶层屋盖结构采用单向梁长跨布置，覆土平均厚度1.8m，考虑消防车荷载。若设计时将梁混凝土等级定义为C40，主梁截面需要做到1.1m，次梁1.05m，平均板厚200mm。此时计算得到的顶层梁钢筋用量为257.8t。在其他条件不变的情况下，将混凝土梁的混凝土强度等级改为C50，此时的钢筋用量变为了241.0t，减少了16.8t，总量上减少了5.38%。但随着强度等级的提高，混凝土抗裂能力有所降低，需要加大配筋率来控制混凝土的开裂。此时计算得到的梁钢筋用量为260.5t。与采用C40混凝土计算得到的钢筋量相比还有所增大。而且混凝土强度越高对施工质量的要求就越高，施工投入就会更大。可见一味地提高混凝土的强度等级不一定能达到降低资源能源消耗的效果。
1.3设计参数分析
结构设计中的相关参数很多，对工程的资源能源消耗有着不同程度的影响。笔者也由于工程经验有限，理论知识有待深化，就此列举几项个人认为对工程资源能源消耗有较大影响的参数，以此展开分析和论述。
1) 荷载
永久荷载：
《荷载规范》4.0.2条规定：结构自重的标准值可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。
永久荷载标准值一般是由设计人员通过软件自动计算或自己手算得到。但是在结构设计时，设计人员往往会依据自身的工程经验对荷载进行一定程度的放大，有时甚至取到真实值的1.5~2倍。采取放大一方面可以说是设计保守，另一方面则可以说这种没有依据的放大是增加资源能源的消耗。盲目的放大荷载只会起到增加造价，造成不必要的资源能源消耗的结果。
活荷载：
《荷载规范》5.1.1及5.3.1作为强制性条文给出，规定了：民用建筑楼面、房屋建筑的屋面，均布或荷载的标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于表中数值的规定。但实际工程中也存在随意放大活荷载的情况。
《荷载规范》5.1.2中规定了楼面活荷载标准值折减系数最小值。有些工程师在设计时不考虑活荷载折减，其原因一方面是保守设计，一方面是减小设计工作量。但这样不对活荷载进行折减是不利于控制施工资源能源消耗的。
2) 抗震性能的选择
其理论依据是抗震性能目标选择越高，结构的地震作用下承载能力也越高。在结构布置基本不变的前提下，提高承载能力是通过增加构件截面尺寸或增加材料用量来实现的。选择较高的抗震性能目标会增加施工的资源能源消耗。
如某工程为高层住宅，地下1层地上33层，总结构面积27737m2，结构总高度99.5m，由于结构平面及竖向不规则，属于A级高度超限高层。此工程进行了抗震性能评估，并同时综合考虑靠着设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复的难易程度等因素，选定高层的性能目标为D级。
在未进行抗震性能设计但是满足抗规的其他抗震设计要求的情况下，主体结构各类构件的单位面积含钢量如下表1所示，结构总含钢量为1013t。
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经过性能分析后对结构做了以下调整：增设边梁，加大竖向构件的截面尺寸及配筋率，增加楼板厚度并采用双层双向配筋，加大部分梁的配筋率及配箍率等。进行抗震性能抗震设计后的结构总含钢量变为了1207t，总用钢量增加了16.1%。
为了控制剪力墙轴压比，部分墙肢墙厚由200mm增加到250mm或300mm。相应的施工中的模板工程的资源能源消耗也有所增加。
抗震设防目标的选定会较明显的影响到施工中的资源能源消耗。结构工程需要根据建筑功能要求、投资资金情况、震后损失和修复难易程度等因素与业主共同商议，选定合理的结构抗震性能目标。
3)周期折减系数
结构在地震作用的激励下其自身会产生振动，每个结构都有其固有的自振周期。在结构设计时，填充墙往往是作为荷载输入，忽略了填充墙对结构刚度的增大作用。这样设计出来的结构与真实结构的特性会有所差别，而且会使结构偏于不安全。需要对结构周期进行折减，相当于增大结构的地震作用。
规范中规定的一种类型的结构其周期折减系数为一个范围，由工程师自己根据填充墙的数量、位置、对结构刚度的影响选取。下面对于一个三层框架结构进行分析，选用不同的周期折减系数对工程量带来的影响。
某工程为一个抗震设防烈度按7度（0.1g）设计的三层框架结构，结构的周期折减系数可在0.6~0.8之间选取，通过选取0.6、0.7、0.8、1.0（不折减）来对比此系数对工程量的影响，详表2。
表2 不同周期折减系数的钢筋变化表
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从表中可以看出，在结构设计时周期折减系数取值越小，结构受到的地震作用就越大，相应的施工中的能源消耗就越大。周期折减系数对结构的影响会随着结构抗震设防烈度的提高更加明显。在设计中应根据结构的填充墙种类、数量、布置形式等因素选择合理的结构周期折减系数。
2.结语
本文浅析了结构设计对民用建筑施工资源能源消耗影响因素分析，各种不同因素错中复杂，也相互制约，在实际工程项目施工过程中，牵涉的人员、材料和机械繁多，造成资源能源消耗的情况较为复杂，不易精细计算消耗情况，所以对以上因素加以控制，才能避免或减少结构设计对民用建筑施工资源能源消耗。
参考文献
[1] GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范[S].
[2] GB 50011—2010, 建筑抗震设计规范[S].
[3] GB 50009—2012, 建筑结构荷载规范[S].
基金论文：该论文为重庆市建委项目《工程设计对民用建筑施工资源能源消耗影响因素及措施研究》论文之一
论文作者:黄欣宇 李思谨
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷24期
论文发表时间:2020/4/26
标签：结构论文; 钢筋论文; 荷载论文; 能源消耗论文; 混凝土论文; 资源论文; 强度论文; 《建筑实践》2019年38卷24期论文;