摘要：安全性与经济性是建筑结构设计中两项重要指标，过分追求安全性将导致经济性较差，反之亦然。因而必须对安全性与经济性进行调和，使结构在满足安全性的前提下具备较好的经济性，本文就此进行了分析。
关键词：建筑结构设计；安全性；经济性；协调
安全性与经济性是衡量建筑结构设计的两大标准，而且两者之间经常是一对矛盾[1]。建筑被称作容纳人的“容器”，安全性始终是结构设计必须考虑的问题，各类结构设计规范、地方审图规定无不对安全性提出了严格而明确的要求。经济性也是结构设计需要重点考虑的问题，因为它关系到项目投资的经济效益。根据相关研究[2]，结构造价占建筑总造价的30%～40%。可见，协调结构设计中的安全性与经济性不仅是结构工程师的重要职责，并且也是影响建筑业可持续发展的关键因素[3]，因此本文对建筑结构设计中安全性与经济性的协调进行了分析。
1 影响结构设计中安全性与经济性的因素
1.1 结构选型
结构选型关系到结构方案的合理性，当然也对结构的经济性和安全性有直接影响。一般来说，结构选型涉及基础选型和主体结构选型。基础选型时，应在满足地基承载力、基础沉降要求的前提下，尽量选择用材少、造价低、施工简单的型式，这样的基础型式也容易满足结构安全与经济的要求。常见主体结构型式有砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框剪结构、钢结构等形式。砌体结构造价低廉，但抗震性较差，适于低层建筑。框架结构平面布置灵活、内部空间大，抗震性优于砌体结构，但是侧向刚度较小，若用于高层建筑，梁、柱截面就要加大，内部空间减小，经济性下降，所以适合多层建筑和需要大开间的公共建筑、工业建筑等场合。剪力墙结构抗侧移刚度大，抗震性优于框架结构，但体系自重大，内部空间较小，适合不需要大开间的民用高层建筑。框剪结构具有框架结构与剪力墙结构共同的优点，但又回避了两者的缺点，具有平面空间大、抗侧力性好的优点，适于有一定开间要求的公共建筑、写字办公楼等。如果部分剪力墙不落地，而落在下层框支梁与框支柱上，这种结构称为框支结构。钢结构构件可在工厂大批量生产，所以钢结构施工速度快，而且开间可以做得很大，抗震性优异，但造价较高，一般用于工厂厂房和集贸市场等场合。
1.2 结构材料选择
结构材料造价往往会达到结构造价的一半左右，同时材料性能对结构安全性也有决定性影响，故而材料选择对结构经济性与安全性有非常显著的关系。目前，常用的结构材料包括钢材、混凝土、砌体和一些新型材料。钢材自重轻、延性大、耐震性好，所以钢材是一种很重要的结构材料。建筑结构应优选高强度钢，例如HRB335、HRB400与HRB500三个型号的价格比接近，但抗拉强度之比却为1：1.2：1.6，差距非常明显，说明选用高强度钢性价比好得多，且以高强钢筋替代HRB335螺纹钢更容易实现“强柱弱梁，强剪弱弯”目标，抗震性能也有明显改善。混凝土是目前应用最广泛的结构材料，易于加工成型，耐久性好，而且各组成材料之间匹配性好，组分中80%以上采自当地，具有就地取材、经济的优点，但是混凝土自重大、比强度小、变形能力差、易开裂，故应采用高性能混凝土（HPC），在改善结构性能的同时，具有更好的经济性。砌体结构常采用各类砌块和砖块，如蒸压灰砂砖、蒸压加气混凝土砌块、混凝土空心砌块、粉煤灰砌块等，我国很多城市已限制或禁止黏土烧结砖的使用。砌体多用于填充墙，应考虑抗震要求，提高填充墙的剪切刚度，如设置钢丝网砂浆面层。若用于柔性框架结构，应通过柔性连接与主体结构分隔。用于砌体结构应设置构造柱和圈梁，以提高抗震性。总之，砌体必须在保证安全性的前提下才考虑经济性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆新型材料具有独特的性能，往往比传统材料具有某些方面的优势，合理运用可以很好地兼顾安全性与经济性，并在大跨度、大悬挑、抗撞击结构中提供新的设计思路与手段，例如德国landesgartenschau展示中心利用计算机设计、机器人加工的50mm木夹板建仿生建筑，内部无支撑，完全靠材料的榫合拼接而成，所有废料都重复利用，经济性与安全性很好地协调起来。
2 结构设计中兼顾安全性与经济性的方法
2.1 树立兼顾安全性与经济性的设计理念
根据项目实际情况，认真研读设计条件。在方案形成阶段重视概念设计，遵循合理的设计原则，通过多方案比较和精细化设计实现安全性与经济性协调统一的目标。结构设计时，要分清主次关系，主要构件的安全性必须保证，即使次要构件发生破坏，整体结构不会发生倒塌及核心功能破坏现象。其次，结构应具备适度的刚性与柔性。为了承担各种荷载要求，刚性必须足够。为了抗震需要，结构应具备一定的延性与抵抗变形能力。同时还应采用多重设防原则，避免一道防线破坏而致结构整体破坏。在方案设计阶段，首选效果好、造价低的方案，如结构平面简单、规则、对称，传力直接明确，尽量不使用转换层；竖向刚度变化和缓，没有突变。为了降低工程造价，应尽量降低单位面积自重，减少单位面积材料用量。同一个项目至少应提出两种以上的方案，并且各方案造价有别。通过方案比选，选择更优方案。
2.2兼顾安全性与经济性的设计案例
某商住建筑总高79.8m，其中地上部分16层，地下部分2层，-1层为地下车库及变配电房，-2层战时用于人防工程，平时用于地下车库及风、水设备用房，1～2层商业用房，3～16层为小型商业住房。标准层长、宽为44.15m×16m，总建筑面积1.9万m2。设计使用年限为50a，抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.10g，特征周期值取0.45s。
根据该项目特点，提出框剪结构和框支结构两个方案。利用pkpm软件建模，通过SATWE软件进行结构分析计算。框剪方案除部分框架柱以外，竖向结构连续，转换层上下结构体系完全相同，而且刚心与质心基本重合。框支方案转换层以下与框剪方案大致相同，转换层以上采用剪力墙结构。因转换层上下结构体系差异，为了克服扭转效应，外围剪力墙厚度有所增加，同时采用了拖墙转换，以满足建筑功能需要。经过分析对比，框剪方案优于框支方案，不存在转换层刚度突变，周期比和剪重比较小，抗震性能更好，安全性更优。再利用STAT-S软件分析经济指标。钢筋用量，在±0.00以上楼层框支方案比框剪方案多用13.64%，而在转换层部分框支方案比框剪方案多用103%，总体上框支方案比框剪方案多用17.08%。混凝土用量，在±0.00以上楼层框剪方案比框支方案多用0.38%，但在转换层部分框支方案比框剪方案多用37.07%，总体上框支方案比框剪方案多用3.00%。可见，框剪方案比框支方案经济性更优。综合安全性与经济性，本项目选择框剪方案。
3 结语
在结构设计中追求安全性与经济性的协调统一具有巨大的经济价值和社会效益，也是推动建筑业可持续发展的重要途径，因此结构工程师应重视技术经济的分析，使设计方案更合理。而要让结构设计中的安全性与经济性协调，应选择合理的结构体系，并充分发挥材料特性，这样才能获得理想的结果。
参考文献：
[1]赵建敏.基于技术经济合理化的结构设计方法[J].结构工程师，2016，32（5）：36-41.
[2]胡俊强.基于建筑结构设计的建筑经济性分析[J].重庆建筑，2015，14（10）：59-62.
[3]范重，王金金，杨苏.结构工程中的可持续发展问题[J].建筑结构，2014，44（13）：77-85.
论文作者:梁立明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/28
标签：结构论文; 安全性论文; 经济论文; 方案论文; 结构设计论文; 建筑论文; 抗震性论文; 《基层建设》2018年第3期论文;