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高層建筑結構選型的影響因素和選取方法
在高層建筑設計中,結構設計賦予建筑物一個支撐骨架.該骨架型式及其空間關系的合理性不僅直接關系到建筑物的安全,而且關系到建筑物能否實現其預定的功能和能否達到預期的經濟效益.依據工程實踐經驗,若高層建筑結構體系選型不當,同樣難以做出安全可靠、經濟合理的高層建筑結構設計.正確處理高層建筑結構體系的選型問題,對于高層建筑的設計、施工乃至使用、維護而言,都具有至關重要的意義.
1 高層建筑結構選型的問題
當前我國高層建筑結構選型普遍不重視結構選型決策工作,而且缺乏一套完整系統、可行的方法來操作,僅以上部結構土建造價單一指標或幾個易于轉換成計量單位評估的定量指標來進行決策.因此高層建筑結構選型存在如下問題: 第一是影響因素的不確定性.結構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果決定結構的型式,需要對諸多因素做大量細致分析.對一棟高層建筑來說,按當前常規做法是不太可能得到完善合理的結構型式的.選錯結構型式,不僅會使高層建筑綜合經濟效益低下,而且使該建筑物給社會經濟環境帶來不良影響[1].第二是影響因素的多樣性.結構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,還要考慮所選結構型式對建筑功能的適應性、施工條件、技術能力、施工工期、建筑材料和能源供應、建筑美學要求,包括建筑群及其環境的配合,建設場地的地形、地貌、自然災害等等.一個合理的結構型式是通過進行多目標決策,將諸多因素統一協調而產生.而設計人員正是缺乏這種從整體( 或全局) 的綜合經濟效益出發來處理結構選型問題的觀念,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,這使得設計變量和目標函數不能達到應有的取值范圍,從而導致決策結果不是真正的最滿意的.
2 高層建筑結構選型的影響因素分析
2. 1 高層建筑結構選型不合理的情況及原因分析
2. 1. 1 超出建筑結構設計規范中規定的適用范圍
高層建筑的各種結構體系有各自的適用范圍,我國《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》( 以下簡稱為《高規》) 給出了各類鋼筋混凝土結構房屋適用的最大高度.首先房高超規.如高規規定對位于 IV 類場地的建筑或不規則建筑高度應適當降低.抗震規范條文說明指出: "不規則或在 IV 類場地上的結構,適用高度一般降低 20 % 左右.有框支剪力墻的結構,抗震的不利因素是明顯的,適用高度一般降低 20 % ~30 %".有的不規則高層建筑高度未按要求降低.其次是剪力墻間距超規主要體現為框剪結構中超過高規中關于剪力墻間距的規定和在有框支墻的現澆剪力墻結構中,落地剪力墻間距超過《高規》規定.超過的原因主要是為滿足建設方對大空間的要求.
2. 1. 2 選用建筑設計規范中沒有的結構體系
近年來,由于建筑功能、建筑藝術以及城市規劃的需要,高層建筑不僅在層數、高度上迅速增長,而且結構體系日益復雜多變,很多高層建筑的高度已處于《高規》適用范圍之外.這些非常規結構往往沒有先例可依循,理論和實驗依據不夠,設計人員在沒有充分計算、試驗、論證的情況下自行"創新"出一些結構; 這些結構型式本身就很可能受力不合理,更談不上綜合經濟效益好[2].
2. 1. 3 選用不合理的結構型式
首先有的地方新建高層住宅采用重量大、剛度過大、地震反應力大、基礎大、造價高、工期長、不利抗震、不便使用的小開間剪力墻結構.如新建 4 棟 23 層 ~25 層高層住宅采用小開間剪力墻結構,兩層箱形基礎,結構方案不合理,造成很大浪費.其次高層建筑與裙房用后澆縫連成整體( 包括基礎與上部結構) ,一般裙房用框架結構,主樓用框剪結構或框筒結構或剪力墻結構.在用后澆縫連成整體前,高層建筑與裙房選用的結構型式均無問題,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》關于框剪結構中剪力墻最大間距的要求和剪力墻數量過少,其承擔的底部彎矩小于總地震彎矩的 50 %等問題.
2. 2 影響高層建筑結構選型的因素
2. 2. 1 結構受力合理性
結構受力合理性包括結構能有效抗風、可靠抗震、傳力途徑明確、應力分布合理、破壞機制合理等等.結構選型必須保證結構體系的受力合理,要根據力學要求比較各種結構體系優缺點,選擇出合適的幾個結構體系,結合影響因素做分析、篩選.水平荷載在高層建筑結構設計中起控制作用,具體到非地震區,起控制作用的水平荷載就是風荷載.在風荷載作用下,高層建筑可能出現層間位移過大,導致結構體系中的承重構件如梁、柱、墻等出現不同程度損壞; 或者整個結構擺動過大.因此,在非地震區,特別是風荷載較大的地區,高層建筑結構選型應對風荷載作用引起足夠重視,選擇時要考慮結構體系在強度、變形方面滿足要求,還要使結構在風荷載作用下產生的振動控制在人對不適感的容許限度范圍之內.現有地震災害資料及工程經驗表明,在滿足建筑物使用功能要求前提下,地震區高層建筑的抗震安全性與經濟合理性,很大程度上取決于抗震結構體系的選型是否恰當合理.
而選型是根據抗震設防標準,抗震設防標準又得依據設防烈度,設防烈度又受建筑物所在場地的地質條件影響.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生的地區和范圍,又不能在全國范圍內普遍按照高烈度標準設防,給結構選型工作帶來困難.實驗表明,要合理選擇抗震結構體系,使設計的結構總體方案更加創新和完美,精確的數值計算分析固然重要,但更有賴于正確運用概念設計的思想及工程經驗的定性判斷[3].所以,結構設計理論及計算手段改進也是影響結構選型的一大因素.
2. 2. 2 經濟因素對高層建筑結構選型的制約
我國的"適用、經濟、安全、美觀"建設方針把經濟放在重要地位,在結構選型決策時對不同結構體系進行經濟比較具有重要性.從整體的和長遠的角度利用綜合經濟分析方法系統地考慮結構方案的經濟性.首先是不但要考慮某個結構方案付諸實施時的一次性投資費用,還應考慮其全壽命期費用; 其次是除了以貨幣指標核算結構的建造成本外,還應從節省材料消耗和節約勞動力等各項指標來衡量.此外,從可持續發展的角度來考慮,還要特別考慮資源的節約; 再次是某些生產性建筑若能早日投產交付使用,可以較快地回收投資資金,更能得到較好的經濟效益.
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.依據國內外統計,日常使用能耗占建筑總能耗的 90 %以上,因此建筑節能的重點為日常使用能耗,其中尤以采暖及空調耗能為主.從結構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,即使結構方案的一次投資費用較高,也可能是經濟的方案.從結構全壽命周期費用角度考慮,在進行結構方案的經濟分析時,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( 一般為 50 a) 會發生其它費用,如結構的一般維護、維修費用,災后的重建費用等等,這些費用的數額較大,進行結構選型決策時也應予以考慮.
2. 2. 3 施工水平對高層建筑結構選型的影響
建筑施工的生產技術水平及生產手段對建筑結構型式有很大影響,主要表現在先進施工技術、建筑結構方案密切與施工條件相結合以及施工使用階段階結構受力狀況三個方面.施工技術條件不具備或選用的結構方案不適應現有施工技術能力,將給工程建設帶來困難.在結構選型時,有關設計人員應與施工單位人員溝通,共同磋商解決選型中出現的矛盾.另外選擇結構型式時應結合施工工藝因素考慮工程的具體施工條件.同一種結構型式可以對應不同的施工工藝,而不同的施工工藝會影響材料消耗、勞動力、工期及造價等技術經濟指標和結構受力狀態、抗震性能、計算分析及構造措施.因此高層建筑結構選型中應對施工工藝連同其它因素加以全面綜合權衡考慮.
3 高層結構選型的方法
高層建筑結構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,而有一部分要憑經驗做出主觀判斷,因此比較分析備選方案應從定量分析和定性分析兩方面進行.通常,先對備選結構方案進行定量分析,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構占用面積和結構施工工期兩方面的影響.高層建筑采用鋼結構或鋼-混凝土混合結構的結構占用面積比采用混凝土結構的結構占用面積小,建筑的有效使用面積相對增加,在銷售上就能體現出其經濟效益,可以抵消一部分因采用鋼結構而增加的費用.施工工期對整體成本的影響主要體現在"時間即是成本"的關系上[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在利息和租金的收益上.
高層建筑采用鋼結構或鋼混結構與采用混凝土結構相比,在建筑有效使用面積與施工工期方面具有一定的優勢,能取得較可觀的經濟收益,從而可抵消一部分因采用鋼結構而增加的費用,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構或鋼混結構的經濟效益主要來自結構施工工期的縮短帶來的貸款利息節約、租金收入增多.從分析中還可知,高層建筑的層數越高,這方面的優勢越明顯.而鋼筋混凝土結構的造價低但工期長,時間成本相對要高,在超高層建筑中的綜合經濟效益就顯得相對較低.
因此,當業主對高層建筑的結構材料方案進行評估時,應該對鋼結構的施工工期優勢加以充分考慮以爭取節約成本的機會.從結構方案的整體成本出發以定量方法對影響整體造價的主要因素進行量化和計算,根據得出的整體成本指標直接進行結構方案的比較、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,其決策目標函數為只追求造價( 成本) 最低的單目標.造成由于目標函數達不到應有的數量( 這里目標函數的數量是指綜合目標函數中包含的子目標函數的個數) 從而降低決策結果的可信度的后果.
4 小結
結構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上來.一個綜合目標函數只有充分地考慮了大多數的影響因素時,得出的綜合目標函數值才有足夠的根據,最終的決策才可能有足夠的說服力和可信度.從而綜合目標函數值最高的結構方案即為能使該高層建筑的綜合經濟效益達到"令人滿意"的結構方案.
在考慮子目標函數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的方案.這就形成一個對目標函數數量選擇的"度"的問題.
參 考 文 獻
[1] 葉浩波. 高層建筑結構選型影響因素分析[J]. 中國高新技術企業,2007,( 13)
[2] 喻敏波,王全鳳. 淺談高層建筑結構選型[J]. 福建建筑,2010,( 5)
[3] 馮望. 高層建筑結構選型的探討[J]. 中華建設,2008,( 4)
[4] 盧銘杰. 淺談房屋建筑成本控制[J]. 技術與市場,2011,( 3)
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