建筑房屋鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

嚴(yán)峻

（合肥學(xué)院 230601）

前言

在建筑行業(yè)成本與質(zhì)量是業(yè)主及建筑商最為關(guān)注的問(wèn)題，如何在有限的成本下保證施工的質(zhì)量與成本是我們一直探索的問(wèn)題。質(zhì)量控制包括材料、人員、設(shè)備等，其中最重要的就是材料，在合理材料下，只有合格的、多方面性能優(yōu)良的材料才能使建筑的質(zhì)量進(jìn)一步的提高。對(duì)于成本來(lái)說(shuō)，主要的包括人員、資金、效率、材料這幾方面，而在當(dāng)代對(duì)于成本的控制就在于如何能快速的建立工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的建筑材料，能在最短的時(shí)間內(nèi)完成施工并降低材料的費(fèi)用。從質(zhì)量及材料來(lái)說(shuō)鋼結(jié)構(gòu)能同時(shí)達(dá)到這兩方面的要求，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前我國(guó)正積極的推進(jìn)低碳理念，在建筑行業(yè)，我國(guó)當(dāng)前磚的生產(chǎn)量約為世界總量的50%，水泥生產(chǎn)總量約為世界總量的33%，而這需要?dú)?5萬(wàn)畝，消耗標(biāo)準(zhǔn)煤7000萬(wàn)t。同時(shí)磚和水泥都是不可再生材料，很難回收處理。所以，當(dāng)前需找一種低碳環(huán)保、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性高的建筑方式成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要途徑。

1 我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)的工業(yè)大幅度的進(jìn)步，鋼產(chǎn)量不斷的增加，具備了供應(yīng)市場(chǎng)需求的能力。由于我國(guó)人口眾多以及城鎮(zhèn)化的客觀要求，我國(guó)的高層建筑不斷增多，而這促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程。鋼結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究、設(shè)計(jì)施工等方面都取得了較大的突破，如以金茂大廈為代表的超高層建筑和以鳥(niǎo)巢、水立方等為代表的空間結(jié)構(gòu)都取得的較大的成就。相對(duì)來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)受力較為合理、剛度大、重量輕、構(gòu)件較為單一，且制作方便，能滿足高空間、多建筑形式的要求，對(duì)于建筑藝術(shù)的發(fā)展具有重要的推進(jìn)作用[1]。

概括來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)勢(shì)：①鋼結(jié)構(gòu)具有更好的延性，在動(dòng)力沖擊荷載作用時(shí)能吸收較多的能量，降低脆性的危害程度，所以抗震性能較好；②自重較輕，能根據(jù)設(shè)計(jì)和使用的要求靈活的分割空間。且結(jié)構(gòu)自重的降低能減少地震的作用和小結(jié)構(gòu)構(gòu)建的設(shè)計(jì)內(nèi)力，同時(shí)降低基礎(chǔ)造價(jià)。如高層混凝土結(jié)構(gòu)的自重在1.5～2.1t/m2左右，而高層鋼結(jié)構(gòu)的自重基本上都在1t/m2以下；③鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般在工廠完成，具有較高的加工精度，可保證質(zhì)量，且占有面積相對(duì)較少，增加了凈使用面積；④相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸安裝量相對(duì)較少，柱子施工一般3～4層為一個(gè)施工段，一次吊裝施工，可進(jìn)行立體交叉作業(yè)，提高了建筑的工業(yè)化出程度，縮短了工期；⑤鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)空間中有很多的孔洞和空腔，為管線的布置提供了方便，增加了建筑的凈高；⑥在我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程及城市化不斷加快的背景下，勢(shì)必會(huì)大規(guī)模的對(duì)建筑進(jìn)行改造，所以會(huì)加大拆除舊建筑的規(guī)模。鋼結(jié)構(gòu)除了具有更方便的拆除性外，能夠回收再利用，具有較好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)性能、使用功能和環(huán)保方面的價(jià)值，但傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)具有經(jīng)驗(yàn)豐富、配套技術(shù)完善、成本預(yù)算準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)效益確定性高的優(yōu)勢(shì)。所以，哪種結(jié)構(gòu)具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，在不同的地震設(shè)防烈度區(qū)兩種結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)不會(huì)發(fā)生變化，都需要我們認(rèn)真的考慮，需要我們對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行認(rèn)真的對(duì)比分析。

2 建筑房屋鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)性對(duì)比

技術(shù)性的比較需要建立合理的計(jì)算模型，本次比較以當(dāng)前較為常見(jiàn)的框架核心商業(yè)住宅樓為原型，確保分析結(jié)構(gòu)具有更高的適用性。同時(shí)，分析不同結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使分析結(jié)果具有普適性。所以模型應(yīng)能同時(shí)承載兩種不同結(jié)構(gòu)形式，具有可比性。

所選模型為地上28層，地下2層，正方形平面，建筑總高度97.2m，外側(cè)抗測(cè)力構(gòu)建軸線平面尺寸為32m×32m，場(chǎng)地粗糙度為B類，如圖1所示。

設(shè)計(jì)規(guī)范采用《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；主要設(shè)計(jì)參數(shù)采用安全等級(jí)及抗震設(shè)防，抗震設(shè)防烈度為6和7度，風(fēng)荷載基本風(fēng)壓為0.66kN/m2，混凝土強(qiáng)度為C15～C50，鋼材型號(hào)為Q345。比較分析及參數(shù)控制采用中國(guó)建筑科學(xué)院PKPMCAD工程部編著的“高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析設(shè)計(jì)軟件—SATWE”及“PMSAP”進(jìn)行[3]。計(jì)算包括混凝土容重、鋼材容重、水平力夾角、豎向荷載計(jì)算、地震力計(jì)算、特殊荷載計(jì)算、風(fēng)荷載計(jì)算等多項(xiàng)內(nèi)容。兩種方案的基本界面和材料等級(jí)對(duì)比如表1。

圖1 建筑模型結(jié)構(gòu)

表1 兩種結(jié)構(gòu)基本界面和材料等級(jí)對(duì)比

根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)的分析比較，在6～7度的情況下，混凝土方案在地震增大的時(shí)候截面尺寸相應(yīng)增大，在豎向構(gòu)件上，基本增加8%左右，在截面的對(duì)比方面，鋼結(jié)構(gòu)在抗側(cè)—核心筒配筋方面有所增大，強(qiáng)度標(biāo)號(hào)有所提高，在梁板柱截面等方面均無(wú)顯著差異，說(shuō)明混凝土結(jié)構(gòu)相比于鋼結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)力更為敏感。在地震荷載增加的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力始終有地震荷載決定，而鋼結(jié)構(gòu)重量較小，控制內(nèi)力由風(fēng)荷載轉(zhuǎn)為地震荷載。當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)防烈度從6上升為7的過(guò)程中，兩種結(jié)構(gòu)的地震力和傾覆力矩都上升到初始程度的兩倍。混凝土的配筋率會(huì)隨地震強(qiáng)度的增加而增加，豎向構(gòu)件率上升到原有的1.5倍，但鋼結(jié)構(gòu)的變化較小，說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)具有更好的延性，抗震能力更好。

在空間利用率上，鋼梁的界面高度相對(duì)較小，在樓層凈高固定的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的樓層高度相對(duì)較小，減少了外圍保護(hù)和內(nèi)墻的面積，且節(jié)約了空調(diào)能源，減少建筑維護(hù)、使用費(fèi)用。同時(shí)在總高度確定的情況下，鋼結(jié)構(gòu)可比混凝土結(jié)構(gòu)多一層，增加建筑面積1100m2，具有更好的使用功能。

3 建筑房屋鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

根據(jù)模型和相關(guān)計(jì)算軟件的分析，在當(dāng)前技術(shù)水平下，混凝土的核心筒結(jié)構(gòu)單層的施工時(shí)間為6～10d，而鋼結(jié)構(gòu)核心筒結(jié)構(gòu)的單層施工時(shí)間為2～4d，也就是說(shuō)，只從地上建筑的設(shè)計(jì)來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)可比混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省180d的工期，在經(jīng)濟(jì)效益上使用時(shí)間提前，工期縮短，減少了貸款利息等，具有更高的經(jīng)濟(jì)利益。從工程造價(jià)上說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)在使用材料方面更具優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表2。

表2 兩種結(jié)構(gòu)主要使用材料對(duì)比

以此計(jì)算相關(guān)工程造價(jià)，可發(fā)現(xiàn)在地上部分，鋼結(jié)構(gòu)每平方米的工程造價(jià)約比混凝土結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)節(jié)省28%左右，地下部分兩種結(jié)構(gòu)造價(jià)無(wú)顯著差異，在基礎(chǔ)部分，鋼結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)比混凝土的工程造價(jià)節(jié)省33%左右。同時(shí)有效使用面積的增加也會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本次的分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)整體上鋼結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)要比混凝土結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)少20%左右，同時(shí)由于工期的縮短，會(huì)減少相關(guān)的貸款利息，增加了建筑的收益。從技術(shù)性上來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)具有安裝方便、抗震能力強(qiáng)、質(zhì)量容易控制等優(yōu)勢(shì)，能更好配合當(dāng)前市場(chǎng)需求。綜上所述鋼結(jié)構(gòu)具有更好的實(shí)用性以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)性，應(yīng)在建筑行業(yè)推廣，加快相關(guān)配套設(shè)施的建設(shè)。

[1]張茶子.結(jié)構(gòu)體系綠色度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建研究及定性分析[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[2]莫濤.鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架體系的彈塑性全過(guò)程分析理論與試驗(yàn)研究[D].湖南大學(xué)，2003.

[3]王振山.單層單跨變截面門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2013.