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高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素和選取方法
在高層建筑設(shè)計中,結(jié)構(gòu)設(shè)計賦予建筑物一個支撐骨架.該骨架型式及其空間關(guān)系的合理性不僅直接關(guān)系到建筑物的安全,而且關(guān)系到建筑物能否實現(xiàn)其預定的功能和能否達到預期的經(jīng)濟效益.依據(jù)工程實踐經(jīng)驗,若高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型不當,同樣難以做出安全可靠、經(jīng)濟合理的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計.正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題,對于高層建筑的設(shè)計、施工乃至使用、維護而言,都具有至關(guān)重要的意義.
1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的問題
當前我國高層建筑結(jié)構(gòu)選型普遍不重視結(jié)構(gòu)選型決策工作,而且缺乏一套完整系統(tǒng)、可行的方法來操作,僅以上部結(jié)構(gòu)土建造價單一指標或幾個易于轉(zhuǎn)換成計量單位評估的定量指標來進行決策.因此高層建筑結(jié)構(gòu)選型存在如下問題: 第一是影響因素的不確定性.結(jié)構(gòu)選型決策工作具有很強的綜合性,包含大量確定與不確定的因素,多因素共同作用的結(jié)果決定結(jié)構(gòu)的型式,需要對諸多因素做大量細致分析.對一棟高層建筑來說,按當前常規(guī)做法是不太可能得到完善合理的結(jié)構(gòu)型式的.選錯結(jié)構(gòu)型式,不僅會使高層建筑綜合經(jīng)濟效益低下,而且使該建筑物給社會經(jīng)濟環(huán)境帶來不良影響[1].第二是影響因素的多樣性.結(jié)構(gòu)體系的選擇受到諸多條件和因素影響,除了要考慮工程造價和投資能力,還要考慮所選結(jié)構(gòu)型式對建筑功能的適應(yīng)性、施工條件、技術(shù)能力、施工工期、建筑材料和能源供應(yīng)、建筑美學要求,包括建筑群及其環(huán)境的配合,建設(shè)場地的地形、地貌、自然災害等等.一個合理的結(jié)構(gòu)型式是通過進行多目標決策,將諸多因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)而產(chǎn)生.而設(shè)計人員正是缺乏這種從整體( 或全局) 的綜合經(jīng)濟效益出發(fā)來處理結(jié)構(gòu)選型問題的觀念,并由于缺乏處理模糊概念的方法和手段,不自覺地把不少本來為模糊的量忽略或當成確定性的,這使得設(shè)計變量和目標函數(shù)不能達到應(yīng)有的取值范圍,從而導致決策結(jié)果不是真正的最滿意的.
2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素分析
2. 1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型不合理的情況及原因分析
2. 1. 1 超出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的適用范圍
高層建筑的各種結(jié)構(gòu)體系有各自的適用范圍,我國《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》( 以下簡稱為《高規(guī)》) 給出了各類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度.首先房高超規(guī).如高規(guī)規(guī)定對位于 IV 類場地的建筑或不規(guī)則建筑高度應(yīng)適當降低.抗震規(guī)范條文說明指出: "不規(guī)則或在 IV 類場地上的結(jié)構(gòu),適用高度一般降低 20 % 左右.有框支剪力墻的結(jié)構(gòu),抗震的不利因素是明顯的,適用高度一般降低 20 % ~30 %".有的不規(guī)則高層建筑高度未按要求降低.其次是剪力墻間距超規(guī)主要體現(xiàn)為框剪結(jié)構(gòu)中超過高規(guī)中關(guān)于剪力墻間距的規(guī)定和在有框支墻的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)中,落地剪力墻間距超過《高規(guī)》規(guī)定.超過的原因主要是為滿足建設(shè)方對大空間的要求.
2. 1. 2 選用建筑設(shè)計規(guī)范中沒有的結(jié)構(gòu)體系
近年來,由于建筑功能、建筑藝術(shù)以及城市規(guī)劃的需要,高層建筑不僅在層數(shù)、高度上迅速增長,而且結(jié)構(gòu)體系日益復雜多變,很多高層建筑的高度已處于《高規(guī)》適用范圍之外.這些非常規(guī)結(jié)構(gòu)往往沒有先例可依循,理論和實驗依據(jù)不夠,設(shè)計人員在沒有充分計算、試驗、論證的情況下自行"創(chuàng)新"出一些結(jié)構(gòu); 這些結(jié)構(gòu)型式本身就很可能受力不合理,更談不上綜合經(jīng)濟效益好[2].
2. 1. 3 選用不合理的結(jié)構(gòu)型式
首先有的地方新建高層住宅采用重量大、剛度過大、地震反應(yīng)力大、基礎(chǔ)大、造價高、工期長、不利抗震、不便使用的小開間剪力墻結(jié)構(gòu).如新建 4 棟 23 層 ~25 層高層住宅采用小開間剪力墻結(jié)構(gòu),兩層箱形基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)方案不合理,造成很大浪費.其次高層建筑與裙房用后澆縫連成整體( 包括基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)) ,一般裙房用框架結(jié)構(gòu),主樓用框剪結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu).在用后澆縫連成整體前,高層建筑與裙房選用的結(jié)構(gòu)型式均無問題,用后澆縫連成整體后則明顯有剪力墻布置不均勻、不符合《高規(guī)》關(guān)于框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最大間距的要求和剪力墻數(shù)量過少,其承擔的底部彎矩小于總地震彎矩的 50 %等問題.
2. 2 影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的因素
2. 2. 1 結(jié)構(gòu)受力合理性
結(jié)構(gòu)受力合理性包括結(jié)構(gòu)能有效抗風、可靠抗震、傳力途徑明確、應(yīng)力分布合理、破壞機制合理等等.結(jié)構(gòu)選型必須保證結(jié)構(gòu)體系的受力合理,要根據(jù)力學要求比較各種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點,選擇出合適的幾個結(jié)構(gòu)體系,結(jié)合影響因素做分析、篩選.水平荷載在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中起控制作用,具體到非地震區(qū),起控制作用的水平荷載就是風荷載.在風荷載作用下,高層建筑可能出現(xiàn)層間位移過大,導致結(jié)構(gòu)體系中的承重構(gòu)件如梁、柱、墻等出現(xiàn)不同程度損壞; 或者整個結(jié)構(gòu)擺動過大.因此,在非地震區(qū),特別是風荷載較大的地區(qū),高層建筑結(jié)構(gòu)選型應(yīng)對風荷載作用引起足夠重視,選擇時要考慮結(jié)構(gòu)體系在強度、變形方面滿足要求,還要使結(jié)構(gòu)在風荷載作用下產(chǎn)生的振動控制在人對不適感的容許限度范圍之內(nèi).現(xiàn)有地震災害資料及工程經(jīng)驗表明,在滿足建筑物使用功能要求前提下,地震區(qū)高層建筑的抗震安全性與經(jīng)濟合理性,很大程度上取決于抗震結(jié)構(gòu)體系的選型是否恰當合理.
而選型是根據(jù)抗震設(shè)防標準,抗震設(shè)防標準又得依據(jù)設(shè)防烈度,設(shè)防烈度又受建筑物所在場地的地質(zhì)條件影響.因地震運動的隨機性及復雜性,既不可能準確地劃定高烈度地震可能發(fā)生的地區(qū)和范圍,又不能在全國范圍內(nèi)普遍按照高烈度標準設(shè)防,給結(jié)構(gòu)選型工作帶來困難.實驗表明,要合理選擇抗震結(jié)構(gòu)體系,使設(shè)計的結(jié)構(gòu)總體方案更加創(chuàng)新和完美,精確的數(shù)值計算分析固然重要,但更有賴于正確運用概念設(shè)計的思想及工程經(jīng)驗的定性判斷[3].所以,結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及計算手段改進也是影響結(jié)構(gòu)選型的一大因素.
2. 2. 2 經(jīng)濟因素對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的制約
我國的"適用、經(jīng)濟、安全、美觀"建設(shè)方針把經(jīng)濟放在重要地位,在結(jié)構(gòu)選型決策時對不同結(jié)構(gòu)體系進行經(jīng)濟比較具有重要性.從整體的和長遠的角度利用綜合經(jīng)濟分析方法系統(tǒng)地考慮結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性.首先是不但要考慮某個結(jié)構(gòu)方案付諸實施時的一次性投資費用,還應(yīng)考慮其全壽命期費用; 其次是除了以貨幣指標核算結(jié)構(gòu)的建造成本外,還應(yīng)從節(jié)省材料消耗和節(jié)約勞動力等各項指標來衡量.此外,從可持續(xù)發(fā)展的角度來考慮,還要特別考慮資源的節(jié)約; 再次是某些生產(chǎn)性建筑若能早日投產(chǎn)交付使用,可以較快地回收投資資金,更能得到較好的經(jīng)濟效益.
從能耗面分析,我國建筑能耗約占全國總能耗的 25 %~ 30 % ,隨著人民生活水平提高,建筑能耗在我國總能耗中所占比例還將增加.依據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計,日常使用能耗占建筑總能耗的 90 %以上,因此建筑節(jié)能的重點為日常使用能耗,其中尤以采暖及空調(diào)耗能為主.從結(jié)構(gòu)施工周期的縮短考慮,可以使整個建筑更早地投入使用,取得經(jīng)營收入,同時還可以縮短貸款的還貸時間,減少還貸利息.因此,即使結(jié)構(gòu)方案的一次投資費用較高,也可能是經(jīng)濟的方案.從結(jié)構(gòu)全壽命周期費用角度考慮,在進行結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟分析時,考慮一次性投資費用不夠全面.一幢建筑物在其整個使用壽命期內(nèi)( 一般為 50 a) 會發(fā)生其它費用,如結(jié)構(gòu)的一般維護、維修費用,災后的重建費用等等,這些費用的數(shù)額較大,進行結(jié)構(gòu)選型決策時也應(yīng)予以考慮.
2. 2. 3 施工水平對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響
建筑施工的生產(chǎn)技術(shù)水平及生產(chǎn)手段對建筑結(jié)構(gòu)型式有很大影響,主要表現(xiàn)在先進施工技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)方案密切與施工條件相結(jié)合以及施工使用階段階結(jié)構(gòu)受力狀況三個方面.施工技術(shù)條件不具備或選用的結(jié)構(gòu)方案不適應(yīng)現(xiàn)有施工技術(shù)能力,將給工程建設(shè)帶來困難.在結(jié)構(gòu)選型時,有關(guān)設(shè)計人員應(yīng)與施工單位人員溝通,共同磋商解決選型中出現(xiàn)的矛盾.另外選擇結(jié)構(gòu)型式時應(yīng)結(jié)合施工工藝因素考慮工程的具體施工條件.同一種結(jié)構(gòu)型式可以對應(yīng)不同的施工工藝,而不同的施工工藝會影響材料消耗、勞動力、工期及造價等技術(shù)經(jīng)濟指標和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、抗震性能、計算分析及構(gòu)造措施.因此高層建筑結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)對施工工藝連同其它因素加以全面綜合權(quán)衡考慮.
3 高層結(jié)構(gòu)選型的方法
高層建筑結(jié)構(gòu)選型決策受諸多確定性因素和不確定性因素的影響.這些因素中有的能量化為定量指標,而有一部分要憑經(jīng)驗做出主觀判斷,因此比較分析備選方案應(yīng)從定量分析和定性分析兩方面進行.通常,先對備選結(jié)構(gòu)方案進行定量分析,然后進行定性分析,最后兩者綜合起來進行整體成本分析,選出最佳方案.
整體成本分析方法受到結(jié)構(gòu)占用面積和結(jié)構(gòu)施工工期兩方面的影響.高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)占用面積比采用混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)占用面積小,建筑的有效使用面積相對增加,在銷售上就能體現(xiàn)出其經(jīng)濟效益,可以抵消一部分因采用鋼結(jié)構(gòu)而增加的費用.施工工期對整體成本的影響主要體現(xiàn)在"時間即是成本"的關(guān)系上[4].施工工期的縮短,可使建筑物提早投入使用,縮短貸款建設(shè)的還貸時間,并且能提早出租增加租金收入,對整體成本的影響體現(xiàn)在利息和租金的收益上.
高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)與采用混凝土結(jié)構(gòu)相比,在建筑有效使用面積與施工工期方面具有一定的優(yōu)勢,能取得較可觀的經(jīng)濟收益,從而可抵消一部分因采用鋼結(jié)構(gòu)而增加的費用,進而使得工程的整體成本明顯降低.通過整體成本分析高層建筑鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益主要來自結(jié)構(gòu)施工工期的縮短帶來的貸款利息節(jié)約、租金收入增多.從分析中還可知,高層建筑的層數(shù)越高,這方面的優(yōu)勢越明顯.而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的造價低但工期長,時間成本相對要高,在超高層建筑中的綜合經(jīng)濟效益就顯得相對較低.
因此,當業(yè)主對高層建筑的結(jié)構(gòu)材料方案進行評估時,應(yīng)該對鋼結(jié)構(gòu)的施工工期優(yōu)勢加以充分考慮以爭取節(jié)約成本的機會.從結(jié)構(gòu)方案的整體成本出發(fā)以定量方法對影響整體造價的主要因素進行量化和計算,根據(jù)得出的整體成本指標直接進行結(jié)構(gòu)方案的比較、選擇.這種定量方法把大量的不確定性因素的影響排除在外,其決策目標函數(shù)為只追求造價( 成本) 最低的單目標.造成由于目標函數(shù)達不到應(yīng)有的數(shù)量( 這里目標函數(shù)的數(shù)量是指綜合目標函數(shù)中包含的子目標函數(shù)的個數(shù)) 從而降低決策結(jié)果的可信度的后果.
4 小結(jié)
結(jié)構(gòu)選型所涉及的影響因素是比較多,它是一個多目標的綜合決策問題.要求在確定決策的綜合目標函數(shù)時,要盡可能多地考慮各種影響因素( 包括確定性和非確定性的影響因素) ,并反映到具體的子目標函數(shù)上來.一個綜合目標函數(shù)只有充分地考慮了大多數(shù)的影響因素時,得出的綜合目標函數(shù)值才有足夠的根據(jù),最終的決策才可能有足夠的說服力和可信度.從而綜合目標函數(shù)值最高的結(jié)構(gòu)方案即為能使該高層建筑的綜合經(jīng)濟效益達到"令人滿意"的結(jié)構(gòu)方案.
在考慮子目標函數(shù)時由于在多個目標之間可能存在矛盾甚至可能是互斥,對一個目標來說是最優(yōu)的,對另一些目標就不一定能滿足的情況,就不存在對所有目標都是最優(yōu)的方案.這就形成一個對目標函數(shù)數(shù)量選擇的"度"的問題.
參 考 文 獻
[1] 葉浩波. 高層建筑結(jié)構(gòu)選型影響因素分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè),2007,( 13)
[2] 喻敏波,王全鳳. 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)選型[J]. 福建建筑,2010,( 5)
[3] 馮望. 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的探討[J]. 中華建設(shè),2008,( 4)
[4] 盧銘杰. 淺談房屋建筑成本控制[J]. 技術(shù)與市場,2011,( 3)
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