高層建筑設(shè)計中如何控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的問題-高層結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計-大學(xué)教程

第高層建筑設(shè)計中如何控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的問題:高層結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計大學(xué)教程

摘要：在建筑節(jié)能已成為社會共識的今天，在高層建筑設(shè)計中如何控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，降低成本，越發(fā)受到業(yè)界的普遍關(guān)注和重視。筆者結(jié)合自身實踐經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)形式選擇、建筑物高度、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、形狀優(yōu)化、減輕自重、合理選材等幾個方面，詳細(xì)闡述了在高層建筑設(shè)計中如何控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的問題，有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；經(jīng)濟性

Abstract:intheenergyconservationofthebuildinghasbecometheconsensustoday,inthehigh-risebuildingdesignhowtocontroltheeconomyofthestructure,reducethecost,bytheindustrymoregeneralattentionandattention.Theauthor"sownpracticeexperience,fromthestructureformselection,buildingheight,theshearwallstructuredesign,basicstructuredesign,shapeoptimization,reduceweight,rationalchoicematerials,etc.,presentsindetailindesigninghigh-risebuildingshowtocontrolthestructureoftheeconomy,havecertainreferencevalue.

Keywords:highbuilding;Structuredesign;economy

中圖分類號：TU97文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是工程建設(shè)計劃的具體化。在高層建筑不斷涌現(xiàn)，建筑節(jié)能已成為社會共識的今天，在高層建筑設(shè)計中如何控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，降低成本，越來越受到業(yè)界的普遍關(guān)注和重視。而所謂建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，筆者以為，應(yīng)以其綜合經(jīng)濟效益為依據(jù)，除合理控制造價外，還應(yīng)該從建筑有效使用面積、建筑布置靈活性等方面進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析。下面結(jié)合筆者實踐經(jīng)驗，談?wù)剛€人的看法，以供同行借鑒參考。

1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性的現(xiàn)實意義

設(shè)計階段是工程建設(shè)全過程中投資控制的重點。據(jù)對工程項目投資規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，越是前期，投資控制越重要；越是后期，投資控制影響作用越小。國內(nèi)外研究的普遍結(jié)論是，設(shè)計階段對項目投資影響為75%～95%，施工階段為5%～25%。因此，建筑工程投資控制的重點在于設(shè)計階段。另據(jù)統(tǒng)計，在滿足同樣功能的條件下技術(shù)經(jīng)濟、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可降低工程造價5%～10%，甚至可達(dá)10%～30%。而結(jié)構(gòu)造價在一般建筑物中占50%甚至更多，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計對于建筑物經(jīng)濟性影響甚大，強調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性意義深遠(yuǎn)。

2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性的目標(biāo)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計如何更為合理、經(jīng)濟方面，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過很多的研究工作，但截至目前，仍然沒有一個滿足各種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范條件、符合設(shè)計人員習(xí)慣、盡可能接近經(jīng)濟合理、能夠適用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的成熟的數(shù)學(xué)模型。本人認(rèn)為，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性的目標(biāo)，應(yīng)是在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)效益的前提下，盡量減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資并提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度和合理性。在現(xiàn)實中，我們設(shè)計者可以此為目標(biāo)來設(shè)計，讓設(shè)計盡可能地接近以上要求，從而達(dá)到保證質(zhì)量的前提下的結(jié)構(gòu)合理、降低造價、節(jié)約投資的設(shè)計目標(biāo)。

3高層建筑設(shè)計中控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的思考

3.1重視結(jié)構(gòu)形式的選擇

選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，不僅能夠滿足建筑造型及使用功能的要求，還能達(dá)到受力的合理完善及造價的經(jīng)濟。在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于高層建筑設(shè)計中關(guān)鍵是控制水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移，因此，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系也就成為結(jié)構(gòu)工程師選優(yōu)的重要目標(biāo)。按抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的不同，高層住宅常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)、大開間剪力墻結(jié)構(gòu)等。每一種結(jié)構(gòu)形式的經(jīng)濟性都有所差別，且都有其相應(yīng)的適應(yīng)性、抗震性能。因此，設(shè)計人員在高層建筑結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化選擇過程中，要根據(jù)建筑物使用功能的要求、建筑高度的不同、施工地帶的地理環(huán)境、投資數(shù)額等因素，按照經(jīng)濟、合理、安全、可靠的設(shè)計原則，保證結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗震性能、足夠的承載力和剛度的前提下，選擇最合適的結(jié)構(gòu)體系。

3.2重視建筑物的經(jīng)濟高度

在高層建筑中，建筑層數(shù)的增多，水平荷載也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因索。而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾震力矩，以及由此引起的豎向構(gòu)件產(chǎn)生的軸力與建筑物高度的平方成正比。此外，作為水平荷載的風(fēng)載和地震作用，其數(shù)值也隨著結(jié)構(gòu)動力特性的不同，變化較大，因此對高層建筑結(jié)構(gòu)的造價影響較大。據(jù)相關(guān)資料分析：1)建筑物造價與高度呈二次方關(guān)系，建筑物高度增加，造價亦增加；2)隨著層數(shù)增多，豎直荷載對造價影響不大，因此如能降低層高，則能在造價增加不多的情況下獲得更多的使用面積；3)高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移有時也對造價構(gòu)成影響，隨著高度增加，側(cè)向變形迅速增大，其與建筑物高度的四次方成正比，與構(gòu)件剛度成反比，為使建筑結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下具有足夠的剛度．避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性要求，同時考慮經(jīng)濟因素的影響，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中給出了各種結(jié)構(gòu)體系的混凝土高層建筑最大適用高度，在設(shè)計中必須重視；4)建筑物層高對工程總造價也有影響，如高層建筑，基礎(chǔ)設(shè)計荷載因?qū)痈叩募哟髸@著增加，與此同時，采暖、空調(diào)、衛(wèi)生、電氣、垂直管道的長度及管徑、垂直構(gòu)件的抹灰裝飾量、墻體腳手架及垂直構(gòu)件模板的數(shù)量也會相應(yīng)增加。反之，建筑如考慮保溫隔熱的需要，層高的降低則更有利于滿足節(jié)能的要求。

3.3重視剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)體系因具有整體性好、布置靈活、剛度大、側(cè)向變形小、抗風(fēng)與抗震性能好等特點在高層建筑特別是住宅建筑中被大量采用，因此，在設(shè)計中如何控制好該結(jié)構(gòu)體系工程費用較高的缺點，降低高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的造價和材料消耗量，尤為重要。筆者建議如下：1）做好結(jié)構(gòu)平面布置。首先，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)注意考慮能削弱地震反應(yīng)、平面剛度力求對稱、豎向力求等強，合理確定其抗側(cè)剛度中心位置，使水平合力點通過或靠近中心，避免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)影響。其次，避免采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以免增大設(shè)計工作量，給施工造成困難，增大投資；2）合理選擇剪力墻結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)建筑物高度的不同，合理選擇高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)形式，并通過控制結(jié)構(gòu)水平位移和底部剪力系數(shù)這兩個因素來滿足設(shè)計要求，以降低工程造價。如，層數(shù)較少(如20層以下)的高層住宅，采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)時，各墻肢軸壓比計算值往往較小，墻體配筋為構(gòu)造配筋，墻體承載能力沒有得到充分發(fā)揮，工程費用偏高，若適當(dāng)?shù)牟捎枚讨袅Y(jié)構(gòu)，則可節(jié)省工程費用5%～10%；3）盡量減小剪力墻厚度。對于剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的厚度取值不僅顯著影響結(jié)構(gòu)的自重、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大小，還直接影響到工程造價。若剪力墻厚度增加，雖然結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的能力提高，同時結(jié)構(gòu)所承受的地震力也加大，二者不一定成正比。因此，在設(shè)計中要注意合理地盡量減小剪力墻厚度；4）嚴(yán)格控制剪力墻配筋率。根據(jù)xxxx―2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，在一、二、三級抗震等級的剪力墻中，豎向和水平分布鋼筋的最小配筋率均不應(yīng)小于0.25%；部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻底部加強部位的豎向和水平分布鋼筋配筋率不應(yīng)小于0.3%，這在高層或者較長的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)該是合理的，但對于低矮、短小的剪力墻，筆者建議其水平筋的配筋率應(yīng)適當(dāng)減小；墻的豎向最小配筋率應(yīng)該包括邊緣構(gòu)件中的鋼筋，同時應(yīng)注意防止豎筋過多使墻的抗彎強度大于抗剪強度，對抗震不利。

3.4重視基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基礎(chǔ)工程的投資約占工程總投資的20%～30%，基礎(chǔ)設(shè)計的重要性可見一斑。一般高層、小高層建筑考慮基礎(chǔ)埋深的要求1/18建筑物高度，通常設(shè)置地下室采用樁筏基礎(chǔ)。因此，如何對樁進(jìn)行合理選型，將對整個地下室設(shè)計的經(jīng)濟性影響極大。例如某一工程，上部十八層帶一地下室，根據(jù)勘察報告，采用Φ400預(yù)應(yīng)力管樁，可選樁長有樁長25m，單樁承載力特征值Ra=900kN，樁長34m，單樁承載力特征值Ra=1300kN。采用25m樁需要290根，采用34m樁需要200根。從樁本身比較兩種方案，總的樁延米數(shù)量相當(dāng)，但采用25m樁為滿樘布置，筏板厚需1200mm，而采用34m樁為墻下布置，筏板可減至900mm，經(jīng)濟性明顯。因此，筆者認(rèn)為基礎(chǔ)選型應(yīng)作方案比較，才能選定經(jīng)濟合理的方案。而對于筏板厚度的取值，則應(yīng)考慮樁沖切，角樁沖切，墻沖切及板配筋等多方面的因素。另外，筏板長度的設(shè)置也要注意，由于考慮地下室的使用合理性，常規(guī)采用設(shè)置后澆帶來解決底板超長引起的收縮及溫度裂縫，后澆帶的作用是明顯的，但也給施工帶來不少麻煩，甚至由于處理不當(dāng)而引起后澆帶漏水及裂縫。而有些高層，長寬均達(dá)100m以上，中間就設(shè)置幾條后澆帶，也沒有其他措施，筆者認(rèn)為是不妥當(dāng)?shù)?，設(shè)計中必須注意。

3.5重視建筑形式的優(yōu)化

建筑平面及豎向形式的優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義。首先，建筑物平面形式越簡單，用鋼量就少。每層面積相同或相近，則外墻長度越大的建筑其用鋼量就越大，平面形式是否規(guī)則不僅決定了用鋼量的多少，而且可以衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣。其次，建筑物豎向體型規(guī)則和均勻，剛度沒有突變，抗側(cè)剛度從上而下均勻變化，其受力均勻，用鋼量就小，反之則大。因此，在高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面布置簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過大。高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。因此筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員一定要注重概念設(shè)計，在滿足美觀、適用的前提下，盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置簡單、規(guī)則和均勻。那么結(jié)構(gòu)體系就會具有更合理的剛度和承載力分布，從而避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。只有這樣，到初步設(shè)計和施工圖設(shè)計階段過程中對截面尺寸的優(yōu)化才會有實質(zhì)性的意義。

3.6減輕高層房屋建筑自重

高層建筑減輕自重比多層建筑意義更大。我們從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重可直接減少混凝土用量，同時減小垂直荷載和水平地震力，進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，改善經(jīng)濟指標(biāo)，特別是基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)換層的混凝土和鋼材用量。

3.7合理選用建筑材料

材料選擇不同，工程直接費不同，總造價不同。設(shè)計階段合理選擇建筑材料，控制材料單價或工程量，是控制工程造價的有效途徑。筑材料選用應(yīng)盡量選用高強度的建筑材料，如鋼材宜優(yōu)先選用三級鋼。HPB300、HRB335和HRB400，這三種鋼材的價格比較接近，但它們的抗拉強度值是270:300:360=1:1.11:1.33，可見采用高強鋼筋的性價比高?；炷烈擞肅30以上標(biāo)號的混凝土，因為目前的施工工藝和技術(shù)已可使混凝土達(dá)到C80，運用高強度混凝土可以減小結(jié)構(gòu)截面和減輕結(jié)構(gòu)自重。填充墻材料宜采用輕質(zhì)墻體，如紙面石膏板、水泥纖維板、加氣混凝土等，以上材料既可增加室內(nèi)的使用面積，也能減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用，進(jìn)而減少結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的配筋量和混凝土用量。

總之，結(jié)構(gòu)的造價在建筑工程中占比例較大，重視結(jié)構(gòu)設(shè)計中的經(jīng)濟性理念，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)建筑作品的最大經(jīng)濟價值，不僅是評判建筑設(shè)計作品優(yōu)劣的重要尺度，也是能否促進(jìn)國民經(jīng)濟合理發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前在我國的工程設(shè)計領(lǐng)域中，部分設(shè)計人員因忙于應(yīng)付大量的具體工作，往往不夠重視結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性問題，導(dǎo)致同一工程不同的人設(shè)計其土建造價可能差別很大，造成不必要的浪費，這對于經(jīng)濟實力并不發(fā)達(dá)、尚處于第三世界發(fā)展中國家的中國而言，是一個急待解決的問題，因此，作為一名設(shè)計人員，我們必須嚴(yán)守“經(jīng)濟、適用、合理”的原則，精心設(shè)計，力求在達(dá)到建筑建設(shè)要求的基礎(chǔ)上，盡