2020年以来，受疫情等多方影响，建筑行业迎来材料大涨价。主要建材螺纹钢价格的上涨更是方兴未艾，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之对策，针对钢筋优化计划推出三篇连续稿： 第一篇从细节着手，节省无效钢筋量，从构造中优化结构设计。 第二篇从理论着手，探讨节省无效钢筋量，从构造中优化结构设计。 第三篇从材料入手，探讨如何在工程中合理应用高强钢筋，减少土建造价。
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第一篇
《手册》明确：当孔洞直径d0小于h/10及150mm时，孔洞周边可不设倾斜补强钢筋。梁上开小洞的加强构造可按下图进行优化：
依据《混凝土结构设计规范》 9.2.13条：梁的腹板高度hw不小于450mm时，在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋。每侧纵向构造钢筋的间距不宜大于200mm，截面面积不应小于腹板截面面积（bhw）的0.1％。 梁腰筋设置应注意： （1）梁腰筋由抗扭控制时，应根据计算结果配置腰筋。 （2）地方规范对梁腰筋配筋可能有更高要求，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）如当地没有特殊要求，梁的构造腰筋可按下表配置：
分布筋和抗裂筋的设置应注意： （1）地方规范对板配筋可能有更高要求，如《江苏省住宅工程质量通病控制标准》第7.1.1-4条规定：建筑物两端开间及变形缝两侧的现浇板应设置双层双向钢筋，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于100mm。 （2）如当地没有特殊要求，板内分布筋可按下表配置：
梁顶架立筋与非贯通钢筋的搭接长度为150（与钢筋直径无关）。在梁的平法标注中，架立筋写在括号内，如梁上部纵筋标注：2?22+(4?12)，其中2?22为通长筋，4?12为架立筋。 图集《16G101-1》P84：
图集《16G101-1》P90，除框支梁和框扁梁外，梁底第二排钢筋可不深入支座：
严控大样尺寸，当混凝土标号为C30，受力钢筋为HRB400时，受力钢筋配筋率0.178%，非受力钢筋配筋率0.15%。
《构造手册》P127：空调板长度小于600时，单层配件；全国工程空调板长度不大于1200时，可单层配筋。
原设计剪力墙边缘构件采用外套箍+内套箍的复合箍筋形式，而规范允许在外套箍中使用拉筋作为箍筋。改进后可节省内套箍与外套箍重叠部分的钢筋。
原设计剪力墙构造边缘构件采用外套箍，而规范允许将符合要求的墙体水平筋作为箍筋使用，优化后取消原设计外套箍。注意：此时构造边缘构件的体积配箍率仍应满足规范要求。
（1）当底板为防水板，不承受上部荷载作用且不考虑外挑部分覆土自重对抗浮的有利作用时，底板不外挑。 （2）当地基土质较好，即使基底不外挑，也能满足承载力、沉降、抗浮计算要求，且有柔性防水层时，底板不外挑。 （3）其它条件同第（2）条，但无柔性防水层时，底板可选择外挑或者不外挑（优先不外挑）。 （4）当地基土质较差，承载力或沉降不满足设计要求时，可根据计算结果，将底板向外挑出。
参考文件： [1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版） [2]《混凝土结构构造手册》（第五版） [3]《混凝土结构施工图平法图集》16G101-1
第二篇
在混凝土结构设计中，安全适用、经济合理是其基本原则。当 跨度 和 荷载 确定后，在 不考虑层高 的前提下，决定梁的结构成本，就是 截面尺寸 和截面钢筋量 。
单位长度的截面尺寸就是混凝土量 单位长度的截面钢筋就是钢筋量 而同截面的钢筋与截面尺寸之比 我们称之为 配筋率 所以要控制结构成本，必须控制配筋率
结构规范对配筋率也提出了要求，即最小、最大配筋率。简单的说最小配筋率就是钢筋用量最少时，不断加大混凝土量，满足结构承载力要求；最大配筋率就是钢筋用量最大时，不断减少混凝土量，满足结构承载力要求。
钢材价远高于混凝土价，所以钢筋用量最大，一定提高造价，那么最小配筋率是否就是最省？当然也不是，原因是截面越大，自重越大，一部分承载力用来抵抗自身的荷载，结构效率反而更低。
我们认为，在满足构件承载力和延性要求的前提下（所谓延性就是破坏前构件能产生足够大的变形），能实现最小造价的构件尺寸即为合理的构件尺寸，此时的构件配筋率就称为经济配筋率。
本文通过混凝土受弯构件的平衡公式得出梁、板造价方程，从理论上分析梁、板经济配筋率的极值问题（求下图所示梁配筋率与造价关系曲线的最小值）。
在结构设计中，当结构体系确定后，在合理范围内调整构件的截面尺寸，对构件内力影响较小。我们可以假设弯矩M为定值，根据混凝土结构设计规范（GB50010），单筋受弯构件配筋按下式计算：
公式中省略了受压钢筋与预应力钢筋的部分，对普通结构构件，此部分是无需考虑的。
假设条件如下： 某根梁的跨中弯矩为M（kN.m），梁的截面为b*h（mm），梁的保护层为25mm，梁的底筋As由内力计算确定（配筋率在规范规定的0.2%~2.5%区间内），面筋为两根架立钢筋2?d1，箍筋为2?d2@200，钢筋的强度为fy，混凝土的强度为fc，混凝土单位体积造价为Kc，钢筋单位体积造价为Ks。
在梁弯矩一定的情况下，可以推导出每延米梁关于梁截面有效高度h0的造价函数Z(h0)，将造价函数Z(h0)对h0求导，则当dZ(h0)/dh0 = 0时，可取得造价的最小值，即最省造价Z E ，并可导出对应的最经济配筋率公式（不考虑箍筋因素）。因公式复杂，推导过程本文从略，我们直接给出结论：
代表梁箍筋在经济配筋率中的因素，如不考虑箍筋因素则公式变为：
（4）式亦为板的最经济配筋率，由上两式可知，正常配筋的混凝土梁、板构件最经济配筋率与钢筋、混凝土强度比及价格比之和成反比，与构件的弯矩无关。
经过以上分析，根据市场上钢材、混凝土的商品价格波动情况，从式（3）可总结出如下成果表格：
表一（假设钢材价格为3000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc = 46.8）经济配筋率（%）
表二（假设钢材价格为5000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc = 78）经济配筋率（%）
由表一、二可见，市场上钢材与混凝土价格的变动，直接影响了Ks/Kc值，对经济配筋率的影响还是很明显的，当钢材价格由3000元/吨变为5000元/吨，经济配筋率也随之减小了近40%~50%。
利用混凝土规范中由弯矩求配筋的计算公式，推导出配筋率与造价的函数关系，分析其函数曲线，得出配筋率大约在区间（ρE – 0.3%，ρE + 0.6%）范围内，造价变动并不敏感，在此范围之外则比较敏感。
表一（假设钢材价格为3000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc = 46.8）经济配筋率（%）
表二（假设钢材价格为5000元/吨，商品混凝土价格为500元/m3，即Ks/Kc = 78）经济配筋率区间（%）
设计人员需根据市场上的材料价格、混凝土强度及钢筋的强度选择适当的经济配筋率。
参考文件： ［1］《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）．
HRB500钢筋俗称四级钢，其强度是三级钢的1.25倍，我国在开发HRB500级钢筋方面正步入发展阶段。作为一种新型材料，四级钢与三级钢相比存在哪些优、劣势？创新工作室通过多方面的对比，尝试对这一问题提出自己的见解。
1. 国家规范
由《混凝土结构设计规范》从GB 50010-2002版到现行GB 50010-2010（2015年更新版）的更新过程来看，规范已明确将三级钢（HRB400）作为主力钢筋，提倡应用四级钢（HRB500）。
2. 各地政策
从国家和行业政策导向判断，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。例如：《江苏省绿色建筑设计标准》要求钢筋混凝土结构构件受力钢筋使用不低于400Mpa级的高强钢筋用量不低于受力钢筋总量的85%，其中500Mpa级以上高强钢筋用量不低于受力钢筋总量的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，高强钢筋的产量占比（占螺纹钢总量）基本在55%左右。随着2016年高强钢筋普及政策的推出，2017年开始，高强钢筋占比有所提升，目前基本达到72%左右水平。而从HRB500系列产品来看，2014年至今，其在高强钢筋中的产量占比由9%上升至10-11%，生产比例上虽略有上升，但从增速来看较为缓慢，2016年甚至出现了负增长。
我国部分重点钢厂高强钢筋及HRB500钢筋产量占比情况
HRB500E是HRB500系列中主要用在梁柱中的钢筋，目前国内大部分全流程钢厂均具备生产HRB500E的能力，但因区域需求的局限性，区域的产量较为不平衡。其中中南、西南等地因地域问题，对HRB500E产品用量较大。因此，目前中南地区的钢厂兼具区域、需求、钢厂等多重优势，产量占比最高，约占63%，华东地区钢厂多、资源辐射范围广，占比次之，约23%；西南钢厂虽少，但有庞大的需求优势，因此产量占比可达10%，而华北、东北、西北等地资源辐射区域对于HRB500E产品需求量较少，故产量偏低，三个区域总和仅能达到5%。
1. 材料性能对比
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、受扭、受冲切箍筋的抗拉强度设计值无提高，但体积配箍率计算时可提高。
2. 高强钢筋价格对比
注：价格数据来自网络，仅供参考。 由上表可知：对比强度和价格的涨幅后，HTRB600的经济性更显著。
1. 各项指标对比
2. 外观差异
由上图可知：三、四级钢均为带肋钢筋，仅靠钢筋上面标识的“3”、“4”字样来区分，所以对于混用三、四级钢的项目，一定要加强现场管理。
我们模拟设计了一个典型的单建地下室工程，并对其作材料和造价的对比测算（不考虑地下室底板和基础）。该地下室柱网为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（只设主梁，不设次梁），顶板厚250毫米，柱截面为500毫米*500毫米，梁截面根据实际配筋率调整。地下室结构均采用C35标号混凝土，梁、柱箍筋均为三级钢，梁、板、柱的主筋分别用HRB400、HRB500和HTRB600进行设计，对这三种设计方案分别测算其混凝土、钢筋用量和整体造价。
具体对比分析见下表：
注：梁、板配筋按裂缝宽度0.3mm控制。
1. 结论 综合各项分析后，我们认为四级钢在以下情况使用会有比较好的降本效果： （1）高烈度区（8度及以上）； （2）烈度不高，但抗震等级高（乙类建筑，超限结构）； （3）荷载大、跨度大（地下室、仓储、大商业）； （4）在框架结构上的经济性优于剪力墙结构。
2. 建议 对于想采用四级钢替换三级钢的项目，我们有如下建议： （1）梁、柱箍筋由于采用四级钢后抗剪强度不再提高，因此不建议替换； （2）三、四级钢筋混用的项目一定要做好现场钢筋管理工作； （3）为了降低施工过程中出现误用的概率，可以考虑统一按照直径来设定采购情况，即一般大于等于直径16的钢筋全部使用四级钢，小于直径16的全部使用三级钢。
参考文件： ［1］《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）. ［2］朱炳寅.《建筑结构设计问答及分析》. ［3］李国胜.《多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造》
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