正文 第52章 主要專業工程設計的經濟性2(3 / 3)

結構類型多層高層統計棟數平均工期。

(月)占磚混結構的百分比(%)。

統計棟數平均工期。

(月)占內澆外掛。

百分比(%)磚混25911.20100內澆外砌14210.795.5內澆外掛1010.089.37615.4100裝配式大板819.786.61919.6127.3框架輕板718.2162.5742.7277.3滑模316.8109.1資料來源:袁建新,1997:P29由於不同結構類型在工料消耗、施工工藝和施工工期上的不同,不同結構類型造價有著顯著的差異,所以工程結構選型在滿足基本功能要求的條件下,結構方案造價的經濟性是工程設計經濟性要考慮的重要內容。

2)決定工程結構經濟性的技術要素

(1)整體假定

設計師在最初的建築形式分析時可假定其為一個具體的整體結構,而不必關心它們詳細的、具體的結構形式。這個整體結構必須滿足以下要求:①結構應當固定在地麵上;②結構具有質量,必須由地麵來支承;③結構必須能抵抗水平風力及地震作用。

由於建築物或構築物需要地基來承受,同時地基的承載力是一定的,所以工程結構必須有足夠的底麵積。建築物或構築物的底麵對結構的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的。可見,工程結構及其選型與工程占土地麵積有著密切關係。

由於建築物或構築物由一些有重量的構件所組成的,所以它一方麵必須能承受本身的重量(恒荷載),另一方麵還必須承受使用荷載(活荷載)。而結構件承受荷載的大小與構成構件的材料數量與強度有關,在荷載及形式相同的條件下,選擇不同的材料,構件的尺度有很大差別。顯然,工程結構及其選型與決定工程造價主要因素的材料種類及數量密切相關,並且在相同建築麵積的情況下,結構件所占空間也決定了真正能發揮工程效益的使用空間多少。

受地震荷載作用時,地基受地震力作用會突然產生移動,由於慣性,建築物或構築物的上部質量總是趨於保持其原來的位置,這將導致沿建築物高度分布的水平作用力,所以它沿高度方向分布與質量分布直接相關。受大氣環境中形成的風力作用,在建築物或構築物表麵形成水平荷載,它是空氣對表麵形成的壓力,所以風荷載的分布與建築物的表麵積直接相關。在結構整體分析中,可將建築物看作一個整體懸臂梁。顯然,在結構選型時,應盡可能使總力矩最小,這才是經濟的。

(2)高寬比與抗傾覆

由水平力產生的傾覆力矩必須由結構支承體係中的豎向力偶來抵抗,所以在豎向支承體係的設計中必須考慮恒載和抗傾覆力的綜合效果。傾覆力隨著建築物或構築物高度和寬度的變化而變化,因此,高寬比是對工程結構抗傾覆能力的總體衡量。

在確定的建築體型及質量分布下,水平力及其作用點、建築自重都是確定的,那麼確定體型的建築物就有其最大高寬比的要求。如果高寬比超過了極限高寬比,則受水平力作用建築物就不能維持平衡,需要附加抗拔措施,增加工程造價。

(3)結構強度、剛度及效能

建築在荷載作用下,會發生豎向的壓縮和水平側移。強度是指結構體係能抵抗荷載而不致破壞的一種性質,剛度是指結構體係能夠限製荷載作用下的變形的一種性質。結構安全性是指建築物或構築物在荷載作用下不應發生倒塌破壞,也不應出現過大的變形。

豎向壓縮變形與豎向構件的材料和截麵積有關,彈性模量越大、麵積越大,豎向變形就越小。水平側移則使建築物產生彎曲,彎曲使中和軸一邊的材料受拉伸長,另一邊的材料受壓縮短,而中和軸處無變形,各部分的伸長和縮短的多少隨該部位到中和軸的距離而變化,從而拉應力和壓應力的大小也隨截麵積相對於中和軸的分布情況而變化。顯然,建築物的形狀、受力方向寬度和材料性質將共同決定整個結構體係抵抗彎曲變形的能力。

結構件材料的選擇是一個十分重要的因素,在給定的荷載彎矩、材料數量和支承平麵布置的情況下,材料彈性模量越高,轉動變形就越小。例如,同等條件下的鋼構件就較混凝土構件的變形小。而建築物平麵形狀和受力方向寬度是幾何要素,它決定了材料利用的有效程度。兩種結構幾何布置的材料用量完全相同,但前者剛度是後者的3倍。顯然,把材料放在遠離中和軸位置上的形狀是有效利用材料的形狀。

因此,在截麵形狀已經給定時,雖然可通過加大材料用量和改變材料類型來改善彎曲剛度,但不能改善其效能;當給定平麵形狀時,應該通過增大受力方向總寬度,也就是使更多的麵積遠離中和軸來提高其效能。在結構設計中處理強度和剛度問題時,應當合理設計支承平麵,使其具有較大的形狀效能,以提高其抗彎能力,節約材料。

(4)複雜體型的分割

一般來說,當建築立麵規則時,恒載不會引起水平方向上的總體彎曲;平麵規則對稱時,不會在水平力作用下產生大的扭轉。在結構設計時,有時會麵對不規則、不對稱的情況,如果不規則程度嚴重時,會產生不可估算的損壞。這時,可對建築外形進行分割,將建築物分割成相對獨立、比較規則的單元,利用抗震縫的措施處理好各個單元之間的結合麵,建築物本身仍可以成為一個整體。複雜體型如何分割也是影響工程經濟性的重要技術要素。

3)工程結構選型的經濟性策略

根據上述分析,工程結構選型的經濟性策略可歸納為如下幾個方麵:

(1)最大程度地發揮工程材料效能

提高材料使用效能是工程結構選型經濟性策略的重要路徑。譬如,框架結構平麵布置靈活,可形成較大的空間,梁、柱標準化有利於施工。但是,框架結構承受水平荷載的能力較弱,當層數較多、水平荷載較大時,為滿足剛度和強度的要求,需加大柱、梁截麵,或增加柱的數量,所以框架結構用於10層以下的建築是比較經濟的。如果需要滿足工程規模的要求,采用框架結構,就需要增加建築基地麵積。在基地麵積限製的條件下,對於15層以上的建築選擇剪力牆結構或筒體結構則顯得更為經濟。

提高材料使用效能的方法是在滿足工程結構基本性能要求基礎上,通過采用結構設計技術和結構優化方法,節省材料用量,提高材料利用率。例如,北京圖書館書庫樓蓋方案的材料用量比較。雙向密肋樓蓋根據平板樓蓋受力特點,利用材料布置遠離中和軸更為有效的原理,將離中和軸近的樓板減薄,加大遠離中和軸的板高度,就形成了雙向密肋樓蓋。密肋樓蓋較平板自重輕,提高了材料利用率並減輕了建築物自重。

樓蓋方案鋼材(kg/m2)混凝土(m3/m2)造價指標(%)現澆無梁樓蓋19.80.22100梁板(井式)樓蓋15.10.1695雙向密肋樓蓋11.50.1463資料來源:楊昌鳴、莊惟敏,2003:P88(2)提高工程的產出。

工程設計常常是在規劃紅線和建築控製高度等設計邊界條件範圍內進行。對於土地費用較為昂貴的地域,在邊界條件內如何提高工程的產出,即增加使用麵積,所取得的工程效益遠高於節省的工程造價。因此,在結構設計中,在建築總體量不變的情況下,如何減少提高工程的使用空間產出效率,也是工程結構選型的經濟性策略之一。例如,北京飯店貴客樓設計,原方案采用梁板框架體係,隻能建到9層,後改用預應力無梁樓蓋設計,建到了12層;廣州國際大廈為筒中筒結構,原方案為普通平板,板厚350mm,層高3.2m,經反複論證,采用無黏結預應力平板後,板厚減為220mm,原共60層,總計減少了7.8m,可多蓋2層;節省混凝土8000m3,耗鋼量減少7kg/m2;結構自重減少20000t,地基處理費用及牆、柱截麵相應減少;地震力降低2000kN以上,相應豎向結構受力減輕(楊昌鳴、莊惟敏,2003:P88)。

(3)考慮結構選型對其他專業的影響,以總體效益為最終目的

在結構選型經濟性策劃中,結構本身的經濟性是一個重要方麵,但不能因此單純追求結構造價的低廉,那可能適得其反。在結構選型中,要綜合考慮其他專業的需求和條件,如設備工程的特點、功能布置的靈活性、施工條件的限製、建設工期的要求等,以保證項目總體的效益最佳。例如,對於設備管線較多的工程,將鋼筋混凝土梁改成空腹桁架或鋼桁架,管線從桁架中腹穿過,雖然結構造價提高了,但是可以加大房間淨高,所產生的空間效率性可能會遠高於結構造價的提高。對於商場、賓館等商業性建築和廠房等工業建築來說,工期也成為結構選型要考慮的一個重要因素。一些工期較短的結構型式,盡管初期的投資成本較高,但可以盡早地發揮工程經濟效益。例如,鋼結構廠房比傳統的鋼筋混凝土結構廠房的造價要高,但工期可以大大縮短,所以大多數企業寧願選擇鋼結構廠房。

【例12.4】某六層單元式住宅共54戶,建築麵積為3949.62m2。原設計方案為磚混結構,內外牆為240mm磚牆。現擬定的新方案為內澆外砌結構,外牆做法不變,內牆采用C20混凝土澆築。新方案內橫牆厚為140mm,內縱牆厚為160mm。其他部位的做法、選材及建築標準與原方案相同。

設計方案建築麵積/m2使用麵積/m2總投資(包括地價)/元(1)磚混結構3949.622797.208163789(2)內澆外砌3949.622881.988300342對於住宅來說,住宅的功能與日常運營費用一般不會受到房屋結構方案不同的影響,因此對這兩個方案的比較主要是考察期初的投資或銷售收入的差異。

(1)從單位麵積投資額分析

經計算磚混結構和內澆外砌結構兩方案的單位建築麵積投資額分別為2066.98元/m2和2101.55元/m2,單位使用麵積的投資額為2918.56元/m2和2880.08元/m2。可看出,按單位建築麵積計算,方案2投資高於方案1的投資;如按單位使用麵積計算,方案2的投資低於方案1的投資。由於隻有使用麵積才會真正發揮居住的功能,如果不考慮其他因素,顯然方案2優於方案1。

也可換種角度和方法來分析。每戶平均增加使用麵積為(2881.98-2797.20)/54=1.57m2。為此,每戶多投資(8300342-8163789)/54=2528.76元,折合單位使用麵積投資為2528.76/1.57=1610.68元/m2。即方案2比方案1的每戶多增加的使用麵積1.57m2,其每平方米的投資為1610.68元。和方案1的單位使用麵積2918.56元的投資相比,增加麵積的投資是合算的。

(2)從收益角度分析

如果作為商品房出售,假設方案2與方案1的單位麵積售價是相同的,可從不同的角度來分析。

①按使用麵積出售的情況分析

對於購房人來說,如果不考慮其他因素,不同的結構對其選擇是沒有影響的,即不管房屋是什麼結構的,他花費同樣的錢隻能購買同樣使用麵積的住房。而對於開發商來說,選擇方案2是很有利的,因為就該住宅分析,方案2比方案1每單位使用麵積淨收入增加2918.56-2880.08=38.48元/m2,而整個住宅至少可增加淨收入38.48×2881.98=110898.59元。

②按建築麵積出售的情況分析

對於房產商來說,選用不同的方案總收入並不增加,但方案2比方案1的投資額卻增加了,單位建築麵積增加額為2101.55-2066.98=34.57元/m2,投資總增加額為8300342-8163789=136553元。所以,選擇方案2對房產商並不有利。但對於購房人來說,購買一套的購房款總額是不變的,但其所得的使用麵積,方案2比方案1每戶要多1.57m2,所以如果選擇方案2對購房人來說是有利的。