建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化研究 ——以XX高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)為例

譚宏宇

云南工程建設(shè)總承包公司

摘要：近年來(lái)來(lái)建筑行業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷完善中，得到飛速的發(fā)展，一躍成為當(dāng)下國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí)，建筑行業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)也是愈演愈烈，基于這種情況需要優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本，加強(qiáng)成本控制，從而增強(qiáng)建筑企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?；诖?，本文就以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化研究——以深圳高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行深入的研究和探索。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；成本優(yōu)化；深圳高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化是建筑企業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵要素。對(duì)時(shí)下的建筑企業(yè)而言，要想提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力占據(jù)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)位置，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)的戰(zhàn)略目標(biāo)，除了不斷的改善當(dāng)前的施工技術(shù)之外，還需要加強(qiáng)企業(yè)施工過(guò)程中的成本控制，尤其是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)建筑企業(yè)發(fā)展中經(jīng)濟(jì)效益的最大化，而且還能保障建筑結(jié)構(gòu)的承載力的安全和穩(wěn)定。

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用成本優(yōu)化的方案

（一）甄選優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和建筑施工材料

合理的設(shè)計(jì)方案是有效控制建筑施工成本的關(guān)鍵，也是整個(gè)工程造價(jià)有效控制的前提條件。高層鋼筋混凝土建筑施工中需要進(jìn)行多重選擇，例如：層數(shù)和層高的選擇、建筑樓層的長(zhǎng)寬高的比例以及建筑平面凹凸的尺寸，都需要進(jìn)行施工前的優(yōu)化控制和合理設(shè)計(jì)。其次，要想保證施工安全，首先就要選擇最佳的施工建筑材料，并且建筑工程最終施工所運(yùn)用的材料一定要符合正規(guī)建筑施工材料標(biāo)準(zhǔn)。其次，在建筑材料的選擇中為了選擇性價(jià)比高而且質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)的建筑材料，需要在材料選擇的過(guò)程中進(jìn)行多方面的篩選匯總，在綜合對(duì)比之后選擇性能高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、安全有效以及滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的材料，并加強(qiáng)施工材料的保護(hù)監(jiān)管。

（二）篩選合適的基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)形式

高層鋼筋混凝土建筑的基本形式在整個(gè)建筑成本的造價(jià)上，占據(jù)了工程總造價(jià)成本的三分之一以上，因而，在高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上選擇恰當(dāng)、合理的高層建筑基礎(chǔ)形式能大幅度的降低成本造價(jià)，實(shí)現(xiàn)最大限度的成本優(yōu)化。除此之外，高層鋼筋混凝土建筑基礎(chǔ)形式的選擇還能夠大大的縮短整個(gè)建筑工程的施工期限，這樣一來(lái)，建筑企業(yè)在達(dá)到成本優(yōu)化目的同時(shí)，還能夠增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

然而，選擇合適的基礎(chǔ)形式還需要考慮高層建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及建筑周圍的地質(zhì)條件。此外，我國(guó)的高層建筑樓層一直在不斷增高，這對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件的選擇又提出了新的施工標(biāo)準(zhǔn)，再加上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件決定了當(dāng)下高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且與整個(gè)工程的進(jìn)度和工程造價(jià)息息相關(guān)。為此，高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要事前進(jìn)行工程周圍內(nèi)外環(huán)境的勘測(cè)，在此基礎(chǔ)上選擇合適的基礎(chǔ)形式，然后對(duì)高層鋼筋混凝土建筑基礎(chǔ)埋深的科學(xué)化控制，實(shí)現(xiàn)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)成本的優(yōu)化控制。比如，7層以下的建筑物，在建筑基礎(chǔ)形式的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其實(shí)際的成本應(yīng)該占據(jù)整個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)成本的60%到70%之間。其次，為了保證框架結(jié)構(gòu)的安全性，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)該也可以適用于7-12層的高樓建筑。最后，在整個(gè)高層鋼筋混凝土的建筑結(jié)構(gòu)中科學(xué)合理的進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)選材的成本控制，保障質(zhì)量的前提下，選擇性價(jià)比最高的材料。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化研究——以深圳高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)為例

（一）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目背景

深圳科技大廈是集辦公、科研為一體的高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。該結(jié)構(gòu)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的建筑總面積達(dá)55822.51m2，建筑樓層的主體高度為99.3m，設(shè)計(jì)的樓層數(shù)量為25層，面積有36011.81m2，裙樓有3層，面積為8461.48m2，為了便于用戶的出行以及車輛的停放，還特意在地下一層設(shè)計(jì)了停車場(chǎng)，面積為11349.22m2，以下則是該高層混凝土建筑大樓的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

本次的高層鋼筋混凝土建筑為一類高層建筑，其耐火等級(jí)為一級(jí)，該設(shè)計(jì)的合理應(yīng)用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為七度。

（二）項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本優(yōu)化管理

深圳科技大廈，按照計(jì)價(jià)規(guī)范計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件工程量清單，結(jié)合該高層建筑的樓層樹(shù)立以及地上高度和建筑面積的分配，具體成本花費(fèi)如下圖所示。

該高層混凝土建筑項(xiàng)目屬于一類建筑工程，因而項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)由一個(gè)甲級(jí)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)成本設(shè)計(jì)，因此該項(xiàng)目的成本數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)構(gòu)可靠性、準(zhǔn)確性都比較高。為了加強(qiáng)對(duì)該大型高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的成本優(yōu)化，嚴(yán)格按照傳統(tǒng)的方式進(jìn)行成本管理，并且在建筑項(xiàng)目施工期間，對(duì)成本管理進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督，以此確保建筑施工工程的成本優(yōu)化。盡管如此，高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還會(huì)出現(xiàn)一些意外的變量因素，為了加強(qiáng)對(duì)變量因素的控制，需要先對(duì)混凝土用量、人力成本控制，需要對(duì)具體的施工花費(fèi)進(jìn)行限額控制。然而，實(shí)際的成本花費(fèi)雖然實(shí)現(xiàn)了預(yù)算的目標(biāo)和限額，但是資源和建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件上還缺乏成本上的優(yōu)化，因而成本控制的代價(jià)過(guò)大，不能滿足最初高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化的目的[2]。

三、基于以深圳高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)案例下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

（一）選取恰當(dāng)?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是整個(gè)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的主要參考。由于相同的建筑下使用不同的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案會(huì)產(chǎn)生不同的效果，因此，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇是應(yīng)該注意一下幾個(gè)方面的問(wèn)題：第一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中應(yīng)該處理好建筑結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件之間的關(guān)系，保證高層建筑結(jié)構(gòu)受力處于最佳狀態(tài)；

第二、在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中應(yīng)該簡(jiǎn)化高層建筑結(jié)構(gòu)的受力途徑，在保障受力均衡的狀態(tài)下，提升高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力；

第三、高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)者在設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中出了考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性之外，還應(yīng)該考慮成本優(yōu)化問(wèn)題。

（二）選擇合適的建筑施工材料

對(duì)于高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)來(lái)講，其本身必須具備一定的承載力，才能保障整個(gè)建筑樓層的安全。而建筑結(jié)構(gòu)承載力的關(guān)鍵則是建筑施工材料的甄選。因而，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑施工材料的選擇起著至關(guān)重要的作用，建筑施工人員通過(guò)選擇不同建筑施工材料來(lái)提升整個(gè)建筑的總強(qiáng)度、延伸性，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮其最大的承載力[3]。

另外，需要注意的是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還需要考慮材料的性價(jià)比問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同施工建筑材料的性能測(cè)試，選擇最符合施工標(biāo)準(zhǔn)而且經(jīng)濟(jì)性最高的材料。再者，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化除了建筑施工中的材料控制和管理，還應(yīng)該在材料的運(yùn)輸和施工中加強(qiáng)施工材料的監(jiān)管，避免施工材料遭受天氣因素的影響和破壞。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化一直是建筑企業(yè)提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，尤其是對(duì)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)化不僅可以保障建筑工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，還能大大的縮減施工期限，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)短期經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)合。此外，通過(guò)以深圳高層混凝土建筑設(shè)計(jì)的成本優(yōu)化探究，可以得知，如今的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本優(yōu)化主要表現(xiàn)在施工材料的成本管理、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇等方面，因此要想實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本的最優(yōu)化，還需要從建筑工程的整個(gè)內(nèi)外因素著手，進(jìn)行全面的勘測(cè)，便于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方選擇以及施工過(guò)程中各項(xiàng)成本要素的優(yōu)化管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]張革軍，鐘小華.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014，（20）：816-816.

[2]崔波.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化研究[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2015，（8）：99-99.

[3]肖宗軍.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本優(yōu)化研究--以高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)為例[J].建材與裝飾，2014，（48）：35-36.

上接第225頁(yè)

本工程采用設(shè)計(jì)軟件SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，PMSAP空間有限元分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，部分構(gòu)件采用理正軟件復(fù)核。計(jì)算時(shí)考慮了扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)。從表一所示的整體計(jì)算分析結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)前2個(gè)振型均為以平動(dòng)為主的振型，第3振型為扭轉(zhuǎn)振型。按樓板為完全剛性，采用SATWE進(jìn)行整體計(jì)算，地震力用前24個(gè)振型進(jìn)行組合，X，Y向水平地震作用下結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量參與系數(shù)分別為0.98，0.98，大于0.9，說(shuō)明計(jì)算振型數(shù)已足夠。Tt/T1=0.76，滿足高規(guī)對(duì)復(fù)雜高層建筑的要求。

SATWE結(jié)構(gòu)周期（s）

地震及風(fēng)荷載作用下層間位移角及位移比

結(jié)構(gòu)X，Y向剛重比分別為2.75、2.95，剛重比大于1.4，能夠通過(guò)高規(guī)的整體穩(wěn)定計(jì)算，剛重比大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng)。

3.4 彈性時(shí)程分析

按抗震規(guī)范和高規(guī)要求，該工程需進(jìn)行多遇地震下彈性時(shí)程補(bǔ)充分析。選用2條天然波TH1TG035、TH2TG035和1條人工波RH1TG035進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行彈性時(shí)程分析，三條波的特征周期均為0.35S。地震波的持續(xù)時(shí)間為20S，地震加速度的最大值為35cm/s2，圖1為3條波及振型分解反應(yīng)譜法（CQC）得出的樓層剪力及彎矩。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%，滿足規(guī)范的要求。因此，采用CQC法計(jì)算地震作用時(shí)，無(wú)須再對(duì)地震作用進(jìn)行放大。

從以上時(shí)程分析計(jì)算所得的X向，Y向水平位移、樓層剪力和彎矩包絡(luò)圖及SATWE結(jié)果比較，現(xiàn)按動(dòng)力時(shí)程分析得到的位移、樓層剪力、彎矩基本小于振型分解法，因此可以以振型分解法計(jì)算結(jié)果為主要設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1

4.工程設(shè)計(jì)中采取的相應(yīng)技術(shù)措施

本工程屬框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度較高，地面以上結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度超過(guò)限值，而且由于平面形狀不規(guī)則，針對(duì)上述不利因素，設(shè)計(jì)中采取了下列技術(shù)措施：

① 適當(dāng)加大基底水平地震力。

② 嚴(yán)格控制墻體、框架柱的軸壓比，加大外框架柱的配筋?？刂戚S壓比，能保證結(jié)構(gòu)有足夠的延性，在罕遇地震作用下，即使超出彈性極限仍具有足夠大的彈塑性極限變形能力（即延性和耗能能力），實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)目的，從而保證結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能。由于北側(cè)井道的剛度較大，相應(yīng)南側(cè)外框架的計(jì)算內(nèi)力偏小，豎向荷載重的較大部分由南側(cè)外框架柱來(lái)承擔(dān)，因此對(duì)框架柱應(yīng)作適當(dāng)加強(qiáng)是必須的。

③ 加強(qiáng)框架梁與井道剪力墻的連接，由于井道與框架柱軸線距離大，保證梁端有可靠的錨固，可以加大梁端彎矩，對(duì)減小跨中彎矩、控制梁的撓曲變形極為有利。

④ 要求加強(qiáng)建筑物的外保溫措施，減少混凝土構(gòu)件受到的溫度應(yīng)力；

通過(guò)設(shè)置后澆帶將溫度應(yīng)力及混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力部分釋放掉，后澆帶采用強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的混凝土，并加入微膨脹外加劑；通過(guò)加強(qiáng)配筋的方式，減少裂縫的數(shù)量。

5.結(jié)論

工程盡管平面、豎向不規(guī)則，但通過(guò)合理設(shè)置豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)能夠滿足規(guī)范的各項(xiàng)要求。對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充計(jì)算其在多遇地震下的彈性時(shí)程分析，以及對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)采取一些必要的抗震構(gòu)造措施，采用與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)計(jì)算分析是可行的，滿足規(guī)范要求；但更重要的是概念設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)方案的比較，采取一定措施，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能將有更好的把握。

參考文獻(xiàn)：

[1] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）

[2] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）

[3] 建筑結(jié)構(gòu)雜志

[4] 高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

[5] 北京市建筑設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)則-結(jié)構(gòu)專業(yè)

[6] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE（墻元模型）.北京，2005