工民建高層建筑結(jié)構(gòu)選型因素分析

侯義軍

（旭輝集團(tuán)股份有限公司，上海 200062）

目前高層建筑的主要用途大體可分為：住宅、旅館、公寓、各種用途的公共建筑。由于它們各自具有不同的建筑功能要求，對建筑物內(nèi)部的平面布局及空間分隔不同，從而對結(jié)構(gòu)體系的選型提出了不同的要求，往往某種功能的建筑物可能只有某幾種結(jié)構(gòu)型式和它相匹配例如高層住宅，由于其使用空間較小、分隔墻體較多 且各層的平面布置基本相同。因此這種功能的建筑就比較適合采用剪力墻或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@兩種結(jié)構(gòu)體系能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)上發(fā)揮承重和抗側(cè)力作用的剪力墻與建筑使用功能上發(fā)揮分隔作用的縱橫墻統(tǒng)一起來很好地適應(yīng)高層住宅使用功能上的特點(diǎn)當(dāng)建筑物功能較為復(fù)雜時(shí)，各組成部分將選用不同的結(jié)構(gòu)體系，這時(shí)除了應(yīng)考慮各組成部分各自適用的結(jié)構(gòu)體系以外，選型中還要考慮兩種體系組合的效果是否最佳因?yàn)楫?dāng)建筑物包括不止一個(gè)主要結(jié)構(gòu)時(shí)，它們之間必然存在一定的橫向聯(lián)系，分別對每一結(jié)構(gòu)優(yōu)化所拼湊而成的整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)不一定最優(yōu)，故結(jié)構(gòu)選型應(yīng)從整個(gè)工程系統(tǒng)，即主要結(jié)構(gòu)的集合出發(fā)進(jìn)行全局優(yōu)化決策根據(jù)工程的具體情況和條件正確解決結(jié)構(gòu)體系的選型問題。

1 工民建筑物的基本要求

1.1 美觀功能要求

結(jié)構(gòu)是構(gòu)成建筑藝術(shù)形象的重要因素，通常人們比較強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)型式適應(yīng)建筑造型上的美觀性要求，而易于忽視另一方面，即結(jié)構(gòu)本身的美學(xué)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)自身也富有美學(xué)表現(xiàn)力，為了達(dá)到安全與堅(jiān)固的目的，各種結(jié)構(gòu)體系都是由構(gòu)件按一定的規(guī)律組成的，這種規(guī)律性的東西本身就具有裝飾效果，結(jié)構(gòu)選型的參與者、建筑師們必須注意發(fā)揮這種表現(xiàn)力和利用這種裝飾結(jié)果自然地顯示結(jié)構(gòu)，把結(jié)構(gòu)型式與建筑的空間藝術(shù)形象融合起來，使兩者成為統(tǒng)一體。

1.2 結(jié)構(gòu)受力合理性

因?yàn)楦鞣N結(jié)構(gòu)體系有各自的受力特征，比如在抗風(fēng)能力、抗震能力整體剛度等各方面各不相同，而選型必須保證結(jié)構(gòu)體系的受力合理，所以要根據(jù)力學(xué)上的要求認(rèn)真比較各種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)，挑選出能入圍的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體系，然后再結(jié)合其它影響因素作分析，做篩選結(jié)構(gòu)受力合理性包括結(jié)構(gòu)能有效抗風(fēng)、可靠抗震、傳力途徑明確、應(yīng)力分布合理、破壞機(jī)制合理等等。它受環(huán)境條件諸如基本風(fēng)壓、設(shè)防烈度等影響，而基本風(fēng)壓、設(shè)防烈度又因場地條件不同而不同。

1.3 綜合考慮不同結(jié)構(gòu)方案對建筑物造價(jià)的影響

某些結(jié)構(gòu)材料單價(jià)較高但可能給建筑物整體造價(jià)帶來好處，結(jié)構(gòu)材料對選型的影響下文將展開論述。例如天津市三多里高層住宅地面以上15層局部16層，層高2.7m建筑總高度44.2m為板-柱框架剪力墻體系，采用陶?；炷?。預(yù)制大樓板內(nèi)外填充墻分別采用100mm及200mm厚的加氣混凝土徹塊，每層平均重量僅為8.31kN/平方米而一般框架-剪力墻體系的高層住宅每層平均重量約為12~13kN/平方米，因此該高層建筑采用天然地基箱形基礎(chǔ)，而同期建造的另一幢15層高層住宅，為內(nèi)澆外掛剪力墻體系，采用柱箱復(fù)合基礎(chǔ)15層高層住宅采用天然地基，在天津市是僅有的一幢，是一個(gè)成功的工程實(shí)踐又如在一定跨度條件下密肋樓板與梁板結(jié)構(gòu)的比較，采用密肋樓板由于單位面積用鋼量較高以及模殼費(fèi)用較高每平方米建筑面積的造價(jià)可能高于普通梁板結(jié)構(gòu)，但由于采用密肋樓板后使結(jié)構(gòu)高度降低因此可降低建筑物層高而帶來的綜合經(jīng)濟(jì)效益可能更大。

1.4 結(jié)構(gòu)全壽命期費(fèi)用

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)分析時(shí)，通常考慮的是一次性投資費(fèi)用，這是不夠全面的。一幢建筑物在其整個(gè)使用壽命期內(nèi)，一般為50年，還會(huì)發(fā)生其它費(fèi)用，如結(jié)構(gòu)的一般維護(hù)、維修費(fèi)用、災(zāi)后的重建費(fèi)用等等，而這些費(fèi)用的數(shù)額往往也是不容忽視的。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型決策時(shí)也應(yīng)予以考慮。例如對于一幢高層建筑如果結(jié)構(gòu)方案采用鋼結(jié)構(gòu)，則由于鋼材易于銹蝕在整個(gè)建筑物投入使用后，必須對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行定期的防銹蝕處理和維護(hù)，從建筑的整個(gè)使用壽命期來看這一筆維護(hù)費(fèi)用的數(shù)額是巨大的但如果結(jié)構(gòu)方案采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則基本上不需要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)。從建筑的整個(gè)使用壽命期來看，就基本上不存在發(fā)生于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的維護(hù)費(fèi)用，當(dāng)對類似的高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的選擇時(shí)就要綜合考慮權(quán)衡各方面利弊從結(jié)構(gòu)的全壽命期來進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析才能得出令人滿意的決策結(jié)論。

2 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。正是大型起重機(jī)械及各種建筑機(jī)械例如混凝土泵，相繼問世才使高層建筑的各種結(jié)構(gòu)型式成為現(xiàn)實(shí)，施工水平對建筑結(jié)構(gòu)型式的影響表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

2.1 先進(jìn)施工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)結(jié)構(gòu)型式的前提

2.2 建筑結(jié)構(gòu)方案要密切與施工條件相結(jié)合

一方面，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。例如選擇裝配式框架結(jié)構(gòu)方案時(shí)需要認(rèn)真考慮施工單位焊工技術(shù)力量，否則將給工程質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。如果決策人員在結(jié)構(gòu)選型時(shí)考慮不周也將會(huì)給施工單位帶來不必要的困難。因此選型時(shí)有關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)多與施工單位人員溝通，共同磋商解決選型中出現(xiàn)的矛盾。

另一方面，選擇結(jié)構(gòu)型式時(shí)要結(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，而不同的施工工藝不僅影響材料消耗，勞動(dòng)力工期、施工工期的影響已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)因素中分析及造價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、抗震性能、計(jì)算分析及構(gòu)造措施。所以，在高層建筑結(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 建筑結(jié)構(gòu)材料對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)材料如高強(qiáng)砼、輕骨料砼、復(fù)合材料中的鋼管砼、鋼纖維砼等等不斷誕生，新的結(jié)構(gòu)材料促使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式發(fā)生變革，新的結(jié)構(gòu)型式產(chǎn)生，從而不可避免地給結(jié)構(gòu)選型問題帶來深刻影響。眾所周知在傳統(tǒng)的建筑材料中，鋼材符合輕質(zhì)又高強(qiáng)的條件，在國外高層建筑中很多采用鋼結(jié)構(gòu)體系，鑒于我國國情和條件，絕大部分高層建筑都采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系，且一般都采用普通鋼筋砼、混凝土及鋼材的強(qiáng)度等級不高，建筑物的自重一般平均在12~17kN/平方米。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國已建成的高層建筑中，自重小于12kN/平方米的只占22%而大于14kN/平方米的占46%，總的來說，自重偏大給設(shè)計(jì)、施工、材料運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)抗震性能及結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)帶來較多不利影響。因此在考慮了材料的供應(yīng)狀況的前提條件下，優(yōu)先選用能減輕建筑物自重的結(jié)構(gòu)材料是很有必要的。

減輕建筑物自重給整個(gè)高層建筑帶來的效益有：

3.1 有利于減小結(jié)構(gòu)截面節(jié)約建筑材料尤其對于高層建筑下部樓層的柱子影響更大

3.2 有利于減小基礎(chǔ)投資據(jù)統(tǒng)計(jì)在軟土地基地區(qū)基礎(chǔ)的造價(jià)約占土建總投資的25%左右在上海市約占20%~30%有的甚至達(dá)到35%。

例如：天津市樁箱型基礎(chǔ)約占28%隨著目前地下室越來越深這個(gè)比例有加大的趨勢所以減輕高層建筑自重對減少軟土地基地區(qū)高層建筑基礎(chǔ)投資有重大意義。

綜上所述，在實(shí)際工作中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往由于未能深入了解結(jié)構(gòu)選型的各個(gè)影響因素及其相互關(guān)系，從而造成結(jié)構(gòu)選型決策的種種失誤影響結(jié)構(gòu)選型決策的因素主要體現(xiàn)在建筑物的功能要求，結(jié)構(gòu)受力合理性經(jīng)濟(jì)因素的制約等多個(gè)方面，所有的這些確定性的和非確定性的因素都或多或少對結(jié)構(gòu)選型產(chǎn)生影響，在某些情況，不為人們重視甚至被忽略的一些因素往往起著決定性的作用。因此，在結(jié)構(gòu)選型決策工作中應(yīng)該綜合考慮各種決策影響因素的作用特點(diǎn)和對決策結(jié)果的影響度，并將它們綜合協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來，這就涉及到高層建筑選型決策方法的合理選擇問題。

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