2020年以来，受疫情等因素影响，建筑业材料价格大幅上涨，作为主要建筑材料螺纹钢价格更是快速上涨。针对此，中建五局华东公司设计管理部【设计创新工作室】积极思考低成本运营策略，连续发布三版钢筋优化方案征求意见稿：
第一篇文章从细节入手，节省无效钢筋，从结构上优化结构设计。
第二部分从理论出发，探讨如何从施工角度节省无效钢筋、优化结构设计。
第三篇文章从材料入手，探讨如何在工程中合理应用高强度钢筋，降低土木工程造价。
第一章 优化建筑结构，节省钢筋
01 梁上小孔结构
《混凝土结构施工手册》梁孔加固施工方法：
手册中规定，当孔径d0小于h/10且为150mm时，孔周不需要设置斜向加固钢筋。梁上小孔的配筋结构可按下图进行优化：
02 梁腰钢筋设置
根据《混凝土结构设计规范》第9.2.13条规定：当梁的腹板高度hw不小于450mm时，宜在梁的两侧沿高度方向设置纵向结构筋，每侧纵向结构筋的间距不宜大于200mm，且其截面面积不宜小于腹板截面面积(bhw)的0.1％。
梁腰钢筋设置应注意：
（1）当梁腰部钢筋按抗扭控制时，应按计算结果布置腰部钢筋。
（2）地方标准可能对梁腰筋的配筋有更高的要求。例如《江苏省住宅工程质量通病控制标准》第7.1.1-7条规定，梁两侧腰筋直径不应小于12mm。
（3）如局部无特殊要求，梁的结构腰部钢筋可按下列要求配置：
03 分布钢筋及防裂钢筋设置
设置分布钢筋和抗裂钢筋时应注意以下几点：
（1）地方标准可能对楼板配筋有更高的要求。例如《江苏省住宅建筑质量通病控制标准》第7.1.1-4条规定，建筑两端及伸缩缝两侧的现浇楼板应设置双层双向钢筋，钢筋直径不宜小于8mm，间距不宜大于100mm。
（2）如局部无特殊要求，楼板内分布钢筋可按下表配置：
楼板内抗裂钢筋可按下表配置：
04 梁顶钢筋搭接长度
顶筋与非贯穿钢筋的搭接长度为150（与钢筋直径无关）。在梁的水平标示中，钢筋用括号写出，如梁上部纵筋的标示：2ɸ22+（4ɸ12），其中2ɸ22为贯穿钢筋，4ɸ12为贯穿钢筋。
阿特拉斯 16G101-1 P84：
05 梁底第二排钢筋
图集16G101-1 P90，除框架支座梁、框架平梁外，梁底部第二排钢筋不得穿入支撑：
06 女儿墙及其他节点细部
严格控制试样尺寸，混凝土等级为C30，受力钢筋为HRB400时，受力钢筋配筋率为0.178%，非受力钢筋配筋率为0.15%。
07 空调面板加固
《施工手册》P127：当空调板长度小于600时，采用单层附件；当国家工程空调板长度不大于1200时，可采用单层加固。
08 结构边杆内箍改为拉杆
例子：
剪力墙边缘构件原设计采用外箍+内箍的组合箍筋形式，而规范允许外箍采用拉筋作箍筋，改进后可节省内箍与外箍搭接部位钢筋。
09 结构边缘构件采用水平墙体加固代替外箍
例子：
剪力墙结构边缘构件原设计采用外箍，而规范允许符合要求的墙体水平筋作为箍筋。优化后取消原设计外箍。注：此时结构边缘构件的体积箍筋率仍应满足规范要求。
10 地下室楼板是否突出？
地下室楼板是否为悬挑结构可按下列原则确定：
(1) 当底板为防水板且不承受上部荷载，且不考虑覆盖土自重对悬臂部分抵消浮力的有益作用时，底板不悬臂。
（2）当地基土质良好、基底不向外突出，能满足承载力、沉降和抗浮计算的要求，且有柔性防水层时，底板不向外突出。
（3）其他条件与第（2）条相同，但当无柔性防水层时，底板可采用悬臂式，也可不采用悬臂式（优先采用不悬臂式）。
（4）当地基土质较差，承载力或沉降达不到设计要求时，可根据计算结果将底板向外延伸。
第二部分 结构构件经济配筋率浅谈
在混凝土结构设计中，安全性、适用性和经济性是基本原则，当跨度和荷载确定后，在不考虑层高的情况下，梁的结构造价由截面尺寸和截面配筋量决定。
单位长度的截面尺寸即为混凝土的用量
单位长度截面钢筋即钢筋数量
同一截面钢筋与截面尺寸的比例
我们称之为强化比
因此要控制结构造价，必须控制配筋率。
结构规范也提出了配筋率的要求，即最小配筋率和最大配筋率。简单来说，最小配筋率是指在钢筋用量最少的情况下，不断增加混凝土用量，以满足结构承载力要求；最大配筋率是指在钢筋用量最多的情况下，不断减少混凝土用量，以满足结构承载力要求。
钢材的价格比混凝土高很多，所以最大限度的钢筋用量，肯定会增加建筑造价。那么最小配筋率是不是最经济呢？当然不是，因为截面越大，自重越大，承载力的一部分用来抵抗自身荷载，使得结构效率降低。
我们认为，在满足构件承载力和延性要求的前提下（所谓延性是指构件在破坏前能产生足够大的变形），能实现成本最低的构件尺寸即为合理构件尺寸，此时的构件配筋率称为经济配筋率。
本文通过混凝土受弯构件平衡公式，推导出梁、板的造价方程，并从理论上分析了梁、板的经济配筋率极值问题（求下图所示梁配筋率与造价关系曲线的最小值）。
01 经济强化率理论分析
在结构设计中，一旦确定了结构体系，在合理的范围内调整构件的截面尺寸对构件的内力影响不大，可以假定弯矩M为常数。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010），单根钢筋受弯构件的配筋计算如下：
公式中省略了受压钢筋和预应力钢筋部分，对于一般结构构件，此部分无需考虑。
假定条件为：梁跨中弯矩为M(kN.m)，梁截面为b*h(mm)，梁保护层为25mm，梁底部钢筋As由内力计算确定(配筋率为规范规定的0.2%~2.5%范围内)，表面钢筋为两根框架钢筋2ɸd1，箍筋为2ɸd2@200，钢筋强度为fy，混凝土强度为fc，混凝土单位体积造价为Kc，钢筋单位体积造价为Ks。
当梁的弯矩一定时，可推导出每延米梁的造价函数Z(h0)关于梁截面有效高度h0的函数，将造价函数Z(h0)对h0求导，当dZ(h0)/dh0 = 0时，可得造价最小，即最经济造价ZE，并推导出相应的最经济配筋率公式（不考虑箍筋系数）。由于公式比较复杂，本文省略推导过程，直接给出结论：
（3）公式中
表示经济配筋率中梁箍筋的系数。如果不考虑箍筋系数，则公式变为：
公式（4）也是板的最经济配筋率。由以上两个公式可以看出，通常钢筋混凝土梁、板的最经济配筋率与钢筋和混凝土的强度比与价格比之和成反比，与构件的弯矩无关。
02 最经济配筋率结果表
经过以上分析，根据市场上钢材、混凝土等商品价格的波动情况，可由公式（3）总结出下表：
表1（设钢材价格为3000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc=46.8）经济配筋率（%）
表2（设钢材价格为5000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc=78）经济配筋率（%）
从表1、表2可以看出，市场钢材和混凝土价格的变化直接影响Ks/Kc值，对经济配筋率的影响还是十分明显的，当钢材价格由3000元/吨变化到5000元/吨时，经济配筋率也下降了近40%~50%。
03 结论
利用混凝土规范中弯矩计筋计算公式，推导出配筋率与工程造价之间的函数关系，通过分析函数曲线发现，配筋率在（ρE-0.3%，ρE+0.6%）范围内对工程造价变化不敏感，而在此范围之外则相对敏感。
表1（设钢材价格为3000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc=46.8）经济配筋率（%）
表2（设钢材价格为5000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc=78）经济配筋率范围（%）
设计人员需要根据材料的市场价格、混凝土强度、钢筋强度等选择合适的经济配筋率。
第三部分 高强度钢筋在工程中的应用
HRB500钢筋俗称四级钢筋，强度是三级钢筋的1.25倍，我国在发展HRB500钢筋方面正进入发展阶段，作为一种新型材料，四级钢筋相对于三级钢筋有哪些优缺点呢？创新工作室试图通过多方面的比较，对这个问题提出自己的看法。
01 3级、4级钢筋应用现状
1. 国家法规
从《混凝土结构设计规范》从GB 50010-2002到现行的GB 50010-2010（2015年更新版）的更新过程来看，规范已明确规定以3级钢筋（HRB400）为主要配筋，并提倡使用4级钢筋（HRB500）。
2. 地方政策
从国家和行业政策导向来看，逐步限制、禁止使用低强度建筑材料，推广应用高强度建筑材料将是大势所趋。如《江苏省绿色建筑设计标准》要求钢筋混凝土结构构件400Mpa以上高强度钢筋使用量应占受力钢筋总量不低于85%，其中500Mpa以上高强度钢筋使用量应占受力钢筋总量不低于25%。
3.国内HRB500钢筋生产现状
根据中钢协对部分重点钢厂钢筋产量统计，2014-2015年高强钢筋产量占螺纹钢总产量的55%左右，随着2016年高强钢筋普及政策的出台，2017年以来高强钢筋占比有所提升，目前已达到72%左右。从HRB500系列产品来看，其在高强钢筋产量占比从2014年起由9%提升至10-11%，产量占比虽有小幅提升，但增速较为缓慢，2016年甚至出现负增长。
我国部分重点钢厂高强钢筋及HRB500钢筋产量占比
HRB500E是HRB500系列中梁、柱用的主要钢筋，目前国内大部分全流程钢厂均具备生产HRB500E的能力，但由于区域需求限制，地区产量比较不平衡。其中，由于地域问题，中南地区、西南地区对HRB500E产品的消耗量较大，因此目前中南地区钢厂集地域、需求、钢厂等多重优势于一体，产量占比最高，约占63%；华东地区钢厂多、资源辐射范围广，占比第二，约占23%； 西南地区虽然钢厂少，但是拥有巨大的需求优势，因此产量占比达到10%，而华北、东北、西北等资源辐射区域，对HRB500E产品需求量较少，因此产量较低，三个地区加起来也只能达到5%。
HRB500E钢筋区域产量份额
02 宏观对比分析
1. 材料特性比较
由上表可知：抗拉强度提高：（435-360）/360=21%，抗压强度提高：（410-360）/360=14%；受剪、扭、冲切作用的箍筋抗拉强度设计值均不增加，但在计算体积箍筋率时可予以增加。
2. 高强度钢筋价格对比
注：价格数据来源于网络，仅供参考。
从上表可以看出，对比强度与价格增幅后，HTRB600的经济性更为显著。
03 精细化对比分析
1. 各项指标对比
2.外观差异
3级钢（HRB400）
4级钢（HRB500）
从上图可以看出，3级钢筋和4级钢筋均为带肋钢筋，只能通过钢筋上标注的“3”、“4”字样来区分。因此，对于3级钢筋和4级钢筋混合使用的工程，必须加强现场管理。
04 模拟地下室工程对比计算
我们模拟设计了典型单栋地下室工程，并对材料及造价进行了对比测算（不含地下室楼面及基础）。地下室柱网8.1米*5.4米，共6*6跨，总面积约1575平米，层高3.7米，顶板覆土1.5米，大板结构（仅主梁，无次梁），顶板厚度250mm，柱截面500mm*500mm，梁截面根据实际配筋率进行调整。地下室结构采用C35级混凝土，梁、柱箍筋均为三级钢。梁、板、柱主筋分别采用HRB400、HRB500、HTRB600设计。分别测算这三种设计方案的混凝土、钢筋用量及综合造价。
模拟地下室项目规划
具体对比分析见下表：
注：梁、板的配筋按裂缝宽度0.3mm控制。
05 结论与建议
1. 结论
综合分析后，我们认为在下列情况下使用4级钢材会有更好的降低成本的效果：
（1）高强度区域（8度及以上）；
（2）烈度不高钢结构梁的计算公式中的，但抗震等级较高（乙级建筑，超限结构）；
（3）荷载大、跨度大（地下室、仓库、大型商业）；
(4)框架结构的经济性优于剪力墙结构。
2. 建议
对于想要使用4级钢材替代3级钢材的项目，我们有以下建议：
（1）由于使用4级钢材后，梁、柱箍筋的抗剪强度不再提高，因此不建议更换；
（2）3、4级钢筋混合使用的工程，必须做好现场钢筋管理；
（3）为减少施工时误用的概率，可以考虑按照直径统一设置采购情况。即直径大于或等于16的钢筋全部采用4级钢，直径小于16的钢筋全部采用3级钢。
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