配建學(xué)校建筑采用隔震技術(shù)的增量成本分析

楊小威，陳文祥，黎加純

（廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東佛山528312）

0 前言

國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014 年2 月發(fā)布了建質(zhì)［2014］25 號文：《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見（暫行）》，其中1.2 條要求：“位于抗震設(shè)防烈度8 度（含8 度）以上地震高烈度區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)或地震災(zāi)后重建階段的新建3 層（含3 層）以上學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑，應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?！彪S后各省、自治區(qū)出臺了針對上述規(guī)定的實(shí)施細(xì)則。

對于高烈度地區(qū)的學(xué)校、醫(yī)院等重要的建筑物，采用隔震技術(shù)效果最好，但是由于技術(shù)復(fù)雜，土建成本難以估算，政府或代建部門對項(xiàng)目投資額難以研判，給項(xiàng)目開發(fā)帶來很大的困難。

本文從理論技術(shù)、構(gòu)造大樣、經(jīng)濟(jì)分析等方面論述了隔震框架結(jié)構(gòu)建筑物和一般建筑物的造價(jià)區(qū)別，歸納出造價(jià)增量的簡易計(jì)算方法，供業(yè)主單位、代建單位、工程總承包單位參考。計(jì)算公式通過幾個(gè)實(shí)例工程進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對降低工程造價(jià)提供了合理的建議。

1 建筑隔震與減震技術(shù)簡介

1.1 隔震建筑

在建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置（或系統(tǒng)），形成隔震層，以達(dá)到阻隔地震時(shí)地面振動向上部結(jié)構(gòu)傳遞地震力（或振動能量），降低結(jié)構(gòu)在地震下的振動反應(yīng)的目的。在設(shè)防地震作用下，建筑物的層間位移角比普通抗震建筑小得多，體現(xiàn)在建筑物的損壞程度上，隔震建筑物在設(shè)防烈度地震后可以不需維修即可正常使用。隔震體系采用“以柔克剛”、“軟化”結(jié)構(gòu)隔離地震的新途徑，于建筑物上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，達(dá)到結(jié)構(gòu)的防震要求［1］。

隔震建筑的優(yōu)點(diǎn)是：隔震采用的橡膠墊耐久性好，建筑物使用壽命內(nèi)無需更換，地震力一般可以減少50%以上，地震后樓棟內(nèi)的裝修及家具保持完好，研究可抗拉的橡膠隔震墊非常必要［2］。缺點(diǎn)是要多施工半層地下室，施工周期比減震結(jié)構(gòu)長。

1.2 減震建筑

在上部結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置消能器（減震裝置），通過消能器內(nèi)部材料或構(gòu)件的摩擦、彈塑性滯回變形或黏（彈）性滯回變形來耗散或吸收地震能量，減弱地震作用效應(yīng)［3］。

減震技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：對建筑物施工工期影響小，可待主體完工后安裝減震設(shè)備。缺點(diǎn)是：減少的地震力比例不大，約為10%～30%左右，增加的斜撐構(gòu)件可能對建筑立面或內(nèi)部使用空間有影響；如采用圓筒狀的粘滯阻尼器，市場上現(xiàn)有產(chǎn)品的耐久性及力學(xué)可靠性參差不齊。

1.3 隔震與減震技術(shù)的運(yùn)用

可以讓建筑結(jié)構(gòu)的框架穩(wěn)定性更強(qiáng)，以此來讓此類結(jié)構(gòu)內(nèi)的主體受力結(jié)構(gòu)、設(shè)備、設(shè)施以及人員安全得到很好的保護(hù)。同時(shí)，也能讓這些建筑物在地震發(fā)生后得以使用，同時(shí)也降低了地震后的結(jié)構(gòu)修復(fù)工作量［4］。

2 各地建設(shè)主管部門對學(xué)校建筑采用減隔震技術(shù)的要求

住建部于2014 年2 月發(fā)布了建質(zhì)［2014］25 號文后，各省、自治區(qū)出臺了針對上述規(guī)定的實(shí)施細(xì)則，對重要建筑物提出了減震或隔震的技術(shù)要求，如表1 所示。

從表1 各地發(fā)文來看，只有甘肅省要求必須用隔震技術(shù)，其他地區(qū)的學(xué)?？刹捎酶粽鸺夹g(shù)，也可采用減震技術(shù)。云南和深圳的七度設(shè)防區(qū)學(xué)校也需采用減隔震技術(shù)。相關(guān)建筑法規(guī)的執(zhí)行有越來越嚴(yán)的趨勢，以后可能有更多的地區(qū)強(qiáng)制要求學(xué)校和醫(yī)院采用減隔震技術(shù)。

表1 各地區(qū)建設(shè)主管部門對學(xué)校建筑的減隔震要求Tab.1 Regional Department in Charge of Construction of School Buildings to Reduce Isolation Requirements

3 案例選取及其主體結(jié)構(gòu)成本統(tǒng)計(jì)

以某西北地區(qū)的學(xué)校作為案例，當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為8 度，建筑群中的大部分單體按當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)主管部門要求采用了隔震技術(shù)，于2017 年6 月完成設(shè)計(jì)，2018 年7 月投入使用。下面以學(xué)校建筑群中代表性的4 棟建筑物作為成本研究對象，分析隔震裝置的成本增量。

查閱以往文獻(xiàn)，有研究人員歸納總結(jié)出無地下室隔震建筑比非隔震建筑增加直接工程費(fèi)用4%～5%［5］，但是沒有具體分析其變化規(guī)律。下面以學(xué)校建筑群中代表性的4 棟建筑物作為成本研究對象，分析隔震建筑的成本變化規(guī)律。

4 棟建筑物中兩棟是非隔震建筑：幼兒園（案例1）和行政樓（案例2）；兩棟是隔震建筑：小學(xué)教學(xué)樓（案例4）和小學(xué)宿舍（案例5）。為研究采用隔震技術(shù)前后的造價(jià)差別，增設(shè)了一個(gè)虛擬案例：非隔震的小學(xué)教學(xué)樓（案例3），由項(xiàng)目組另外設(shè)計(jì)了一套建筑平面完全相同的非隔震結(jié)構(gòu)圖、再使用預(yù)算軟件統(tǒng)計(jì)得到其主體結(jié)構(gòu)造價(jià)。5 個(gè)案例的主體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如圖1所示。

4 采用隔震技術(shù)的成本變化分析

4.1 采用隔震技術(shù)增加的成本

典型的隔震學(xué)校建筑采用的隔震層構(gòu)造如圖2所示。相比普通的抗震建筑物的構(gòu)造，其造價(jià)的主要差別列舉如下：

4.1.1 隔震支座

圖1 5 個(gè)案例主體結(jié)構(gòu)造價(jià)指標(biāo)分析圖Fig.1 Indicator Analysis Chart of the Cost of the Main Structure of the Five Cases

如圖2 中的紅色構(gòu)件，造價(jià)指標(biāo)為圖1 中的紅色指標(biāo)。教學(xué)樓的隔震墊成本及安裝成本約為70 元/m2，小學(xué)宿舍隔震墊成本及安裝成本約為58 元/m2。某些地區(qū)具有采用新型纖維增強(qiáng)隔震支座的經(jīng)驗(yàn)時(shí)［6］，可采用新型隔震墊，降低成本造價(jià)。

圖2 隔震層構(gòu)造示意圖Fig.2 Isolation Layer Structure Diagram

隔震墊的成本與柱底豎向總荷載有關(guān)，與總建筑面積成正相關(guān)的關(guān)系［7］。根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院薛彥濤研究員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，通常每m2建筑面積的隔震墊成本在50～70 元之間。

4.1.2 隔震層混凝土構(gòu)件（見圖2 中的綠色構(gòu)件）

4.1.3 隔震溝及擋墻（見圖2 中的紫色構(gòu)件）

隔震溝由底板、頂挑板、外擋土墻和內(nèi)擋土墻組成。隔震溝的作用：確保地震時(shí)隔震墊上部的建筑物可以自由平移無碰撞。

4.1.4 隔震層多挖的土方造價(jià)

隔震結(jié)構(gòu)比一般非隔震建筑多開挖約2 m 的地下室土方。按照2 km 內(nèi)土方全費(fèi)用包干單價(jià)13 元/m3計(jì)算，增加造價(jià)約30 元/m2（基數(shù)為首層建筑面積）。

4.1.5 隔震層中管道柔性連接增加的費(fèi)用

隔震建筑要求在隔震層產(chǎn)生較大層間位移的時(shí)候不影響各管道的使用［9］，需要增加一些特殊的柔性連接接頭，會增加小部分造價(jià)。

4.1.6 隔震建筑的基礎(chǔ)部分增加的成本

3D打印技術(shù)及與之相應(yīng)的數(shù)字骨科技術(shù)在各類復(fù)雜骨關(guān)節(jié)手術(shù)的術(shù)前計(jì)劃中的應(yīng)用價(jià)值逐步得到重視。目前限制應(yīng)用的環(huán)節(jié)是骨科數(shù)字化設(shè)計(jì)需要較長的學(xué)習(xí)曲線，新術(shù)式的設(shè)計(jì)更需要長時(shí)間的準(zhǔn)備。但手術(shù)模塊設(shè)計(jì)方案落定后，后續(xù)病例的設(shè)計(jì)則通過簡單的影像文件導(dǎo)入、三維重建與Boolean運(yùn)算即可完成，以本研究的跟骨骨折手術(shù)設(shè)計(jì)為例，后續(xù)病例數(shù)字圖像處理時(shí)間平均為1 h。模塊打印耗時(shí)平均為11.3 h。因此對于擇期手術(shù)的骨折患者來說，仍有足夠的術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間來進(jìn)行相關(guān)手術(shù)方案的規(guī)劃。

無論做不做隔震設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)及地梁（圖1 中的藍(lán)色構(gòu)件）都是需要的，地梁上一般還設(shè)一層構(gòu)造的底板。由于不同地區(qū)、不同場地的地質(zhì)條件區(qū)別很大，基礎(chǔ)造價(jià)差別很大，本文暫不討論隔震引起的基礎(chǔ)及地梁造價(jià)的增量。對于相同的地質(zhì)條件，可認(rèn)為隔震建筑基礎(chǔ)部分的造價(jià)與非隔震建筑基本相同。

4.1.7 規(guī)律總結(jié)

隔震層土建部分（包含4.1.2～4.1.5，不含隔震墊4.1.1）的造價(jià)，在圖1 中以黃色指標(biāo)表示。其與首層建筑面積的關(guān)系最大，與總建筑面積的關(guān)系很小。表2為隔震層換算成以首層建筑面積為基準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表2 隔震層土建部分（不含隔震墊）的造價(jià)（以首層建筑面積為基數(shù)時(shí)）Tab.2 Cost of the Civil Part of the Isolation Layer（Excluding the Isolation Pad）（When the First Floor Building Area is Used as the Base）

計(jì)算結(jié)果顯示，隔震層（不含隔震墊）以首層建筑面積為基準(zhǔn)時(shí)造價(jià)約為700 元/m2。隔震層中的土方費(fèi)用、隔震溝造價(jià)、鋼筋混凝土層中的樓板、次梁與設(shè)防烈度關(guān)系不大，因此在不同地震烈度區(qū)建議采用700 元的單價(jià)作為隔震層的成本估算值。若某棟建筑規(guī)劃層數(shù)為3、4、5、6、7 層，隔震層總造價(jià)分?jǐn)偟矫?m2建筑面積的成本增量分別為 233，175，140，117，100，88 元/m2。

假設(shè)需要建設(shè)一棟3 000 m2的小學(xué)宿舍，規(guī)劃成3 層，1 000 m2/層，隔震層引起的成本增加約 233 元/m2；如果建成6 層，500m2/層，隔震層引起的成本增加了117 元/m2，綜合成本比 3 層的建筑降低了 116 元/m2。

4.2 采用隔震技術(shù)減少的成本計(jì)算

由于采用了隔震技術(shù)，±0.000 標(biāo)高以上的地震力及構(gòu)造一般可以比原設(shè)防烈度降低一度設(shè)計(jì)，其主體結(jié)構(gòu)的造價(jià)可以比非隔震設(shè)計(jì)降低［10］。項(xiàng)目組另外設(shè)計(jì)了一套與小學(xué)教學(xué)樓相同建筑平面的非隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，再使用預(yù)算軟件統(tǒng)計(jì)得到其主體結(jié)構(gòu)造價(jià)。在圖1中以案例3、4 的藍(lán)色指標(biāo)表示。采用了隔震技術(shù)的上部結(jié)構(gòu)造價(jià)比通常的抗震建筑節(jié)省了530-421=109 元/m2。上部結(jié)構(gòu)減少的造價(jià)與設(shè)防烈度高低、建筑平面是否規(guī)則、結(jié)構(gòu)布置、建筑物高度等因素有關(guān)。層數(shù)越高，設(shè)防烈度越高，節(jié)省的造價(jià)越高。

4.3 采用隔震技術(shù)后的增量成本估算方法及算例

如當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)主管部門要求開發(fā)項(xiàng)目的配建學(xué)校需采用隔震技術(shù)，投資策劃、項(xiàng)目部可按照“該地區(qū)以往的非隔震學(xué)校建筑成本”+“采用隔震技術(shù)后的增量成本”作為配建學(xué)校的估算成本。

隔震學(xué)校的成本增量可歸納為：隔震層總造價(jià)分?jǐn)偟矫縨2建筑面積的成本（層數(shù)越多，取值越小，約233～88 元/m2）+ 隔震墊購買及安裝費(fèi)用（約 70 元/m2）-上部主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)減少的造價(jià)（70～120 元/m2，層數(shù)越高，設(shè)防烈度越高，取大值）。

算例1：某地震8 度設(shè)防區(qū)需配建一棟3 層小學(xué)教學(xué)樓，按以往經(jīng)驗(yàn)非隔震主體結(jié)構(gòu)成本約500 元/m2，則采用隔震技術(shù)后的成本估算值為500+（700/3）+70-70=733 元/m2。

算例2：某地震9 度設(shè)防區(qū)需配建一棟8 層的初中宿舍樓，按以往經(jīng)驗(yàn)非隔震主體結(jié)構(gòu)成本約600 元/m2，則采用隔震技術(shù)后的成本估算值為600+700/8+70-120=638 元/m2。

5 結(jié)論

⑴ 抗震設(shè)防烈度8 度區(qū)、9 度區(qū)學(xué)校建筑采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)時(shí)，基底剪力可減小50%以上，總成本增加約200～80 元/m2，層數(shù)越多，相比普通非隔震建筑的單方造價(jià)增量越少。

⑵ 抗震設(shè)防烈度8 度及以上地區(qū)3～4 層的學(xué)校建筑，或者抗震設(shè)防烈度7 度區(qū)及以下地區(qū)（例如云南、深圳）要求做減隔震的項(xiàng)目，采用隔震技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性較差，建議改用減震技術(shù)（甘肅省除外）。按照經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，7 度區(qū)或8 度區(qū)3～4 層學(xué)校建筑采用消能減震技術(shù)后的成本增量約為80～120 元/m2，而采用隔震技術(shù)成本增量估算為200 元/m2。