深圳某高層建筑結(jié)構(gòu)方案比選與技術(shù)經(jīng)濟分析

張素娟

(深圳市福田區(qū)審計局， 深圳 518017)

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系是高層建筑較常選用的結(jié)構(gòu)體系。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)各具優(yōu)缺點：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性好，耐火性和耐久性好，造價低，施工用料取材方便，但其整體結(jié)構(gòu)自重大，混凝土抗拉強度低且抗裂性差，人工消耗量大，施工工期長；鋼結(jié)構(gòu)強度高，自重輕，塑性韌性好，材質(zhì)均勻，裝配式程度高，人工消耗量小，施工工期短，但鋼材易腐蝕，耐火性和耐熱性差，造價高。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點，如承載力高、抗震性能好[1]。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)，(簡稱抗規(guī))，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基承載力、結(jié)構(gòu)材料和施工條件等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟和使用條件綜合比較而確定[2]。為了確定深圳某高層建筑的結(jié)構(gòu)方案選型，在設(shè)計過程中比較了鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)之間的差異，對比兩種結(jié)構(gòu)方案的抗震性能、材料用量、空間利用率、工程造價及施工工期。

1 工程概況

深圳某高層建筑項目位于廣東省深圳市，地下室為大底盤，主塔樓地上31層，裙房地上9層，幼兒園地上3層；地下4層，建筑物總高度分別為148.8m(主塔樓)、43.0m(裙房)。主要使用功能有:劇院、展覽廳、圖書館、文化中心、辦公用房、設(shè)備用房、幼兒園等。結(jié)構(gòu)模型圖詳見圖1。

本工程主塔樓采用鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系，裙樓部分結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系，共有5項一般不規(guī)則超限項，且絕大多數(shù)為輕微超限，屬于超限工程。本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期為0.35s，裙房、1～9層主塔樓及幼兒園抗震設(shè)防類別為乙類，抗震等級為特一級，10～31層主塔樓抗震設(shè)防類別為丙類[3]，抗震等級為一級[4]。

2 兩種結(jié)構(gòu)方案空間利用率對比

主塔樓單層建筑面積為1 319m2,筒體外墻厚度分別為600，500，400mm，最大柱距為10.5m。根據(jù)建筑布局，采用鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系、鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系這兩種不同的結(jié)構(gòu)體系分別建立模型，方案1采用鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)標準層平面布置見圖2，外框柱采用型鋼混凝土柱和普通鋼筋混凝土柱，型鋼混凝土柱最大截面尺寸為1 500×1 500，外框梁為截面尺寸500×950的鋼筋混凝土梁，內(nèi)框梁為最大截面尺寸500×900的鋼筋混凝土梁，樓面采用預(yù)制疊合板。方案2采用鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)標準層平面布置見圖3，外框柱尺寸分別為1 500×1 500(型鋼混凝土柱)，1 000×1 000(鋼管混凝土柱)，850×850(鋼管混凝土柱)，外框梁為最大截面尺寸H950×450×16×40的工字鋼梁，內(nèi)框梁為最大截面尺寸H750×450×12×35的工字鋼梁，樓面采用壓型鋼板-鋼梁組合樓面。兩種結(jié)構(gòu)方案的樓面梁與外框柱剛接，與核心筒鉸接。柱的截面尺寸及材料等級見表1，梁截面尺寸對比詳見表2。

圖2 方案1鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)標準層平面布置

圖3 方案2 鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)標準層平面布置

兩個方案柱截面尺寸及材料等級對比 表1

兩個方案梁截面尺寸對比 表2

由此可見，方案2較方案1框架柱截面面積平均減少45.31%，內(nèi)框梁梁高縮小15cm，提高了空間利用率。

3 兩種結(jié)構(gòu)方案抗震性能指標對比

依據(jù)抗規(guī)，對兩個方案的結(jié)構(gòu)進行多遇地震和50年一遇風(fēng)荷載作用下的彈性分析[5]，并對結(jié)構(gòu)的整體剛性指標進行統(tǒng)計，如表3所示。

將兩個方案X向受剪承載力比進行對比，對比結(jié)果詳見圖4，由圖可知：1)兩個方案主塔樓層受剪承載力比都大于0.8，依據(jù)抗規(guī)要求，豎向比較規(guī)則；2)雖然20層與21層平面布置及梁柱截面沒有發(fā)生變化，但是方案1樓層受剪承載力比為2.34(20層與21層的比值，余同)，方案2樓層受剪承載力比為1.0，相對來說方案2的標準層樓層受剪承載力比更均勻，沒有發(fā)生突變，平穩(wěn)過渡。

兩個方案整體剛性指標對比 表3

圖4 兩個方案樓層受剪承載力比

依據(jù)《廣東省高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 15-92-2013)[6](簡稱廣東省高規(guī))，本項目水平位移角限值為1/650，根據(jù)表3統(tǒng)計結(jié)果，兩種結(jié)構(gòu)方案都能滿足抗規(guī)和廣東省高規(guī)的剛性指標要求，達到小震作用下“結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，構(gòu)件無損壞”的抗震性能目標[7]。方案1的上部結(jié)構(gòu)自重比方案2的結(jié)構(gòu)自重比多4.6%，方案1的柱底最大軸力比方案2的柱底最大軸力大20.8%，方案1在地震作用下X向最大層間位移角比方案2大9.5%，Y向最大層間位移角比方案2大22.47%。由此可見，方案2的上部結(jié)構(gòu)自重更輕，鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)利用鋼材的柔韌性可吸收和消耗更多的地震能量，抗震性能更優(yōu)[8]。兩個結(jié)構(gòu)方案的各項指標都滿足規(guī)范要求，主要參數(shù)也都在合理范圍內(nèi)，兩個方案在結(jié)構(gòu)上都具有可行性[9]。

4 兩種結(jié)構(gòu)方案工程造價及結(jié)構(gòu)施工工期對比

本文對兩種方案的材料用量、工程的結(jié)構(gòu)造價進行統(tǒng)計，并根據(jù)本工程施工單位以往的項目經(jīng)驗統(tǒng)計結(jié)構(gòu)施工工期，再進行比對，分析采用不同的結(jié)構(gòu)體系對工程的結(jié)構(gòu)造價和結(jié)構(gòu)施工工期的影響，對比結(jié)果如表4所示。除此之外，方案1的施工特點為塔樓標準層部分采用預(yù)制混凝土疊合板，現(xiàn)澆疊合層，結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝重量大。低區(qū)轉(zhuǎn)換部位梁、柱、支撐內(nèi)需埋置型鋼，節(jié)點施工復(fù)雜。方案2的施工特點為預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場采用螺栓拼接，施工效率相對較高。方案2施工效率更高。

兩個方案工程造價及結(jié)構(gòu)施工工期對比 表4

由此可見，在本工程主塔樓單位面積結(jié)構(gòu)造價方面，方案2比方案1高1 015.86元/m2，方案1較方案2工程造價更低。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，塔樓結(jié)構(gòu)采用鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)體系可以有效縮短施工工期，本工程主塔樓標準層采用方案2可以有效節(jié)省施工工期66d，裝配式施工可以有效降低施工難度，提高施工效率[10]。

5 結(jié)論

(1)兩個結(jié)構(gòu)方案的各項指標都滿足規(guī)范要求，主要參數(shù)也都在合理范圍內(nèi)，兩個方案在結(jié)構(gòu)上都具有可行性，可落地性。

(2)基于本工程，鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)框架柱截面面積平均減少45.31%，每層凈空多150mm。可見鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)可以較好地實現(xiàn)標準層凈高與面積實用率。

(3)鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)自重輕，可以節(jié)約基礎(chǔ)費用。利用鋼材韌性強的優(yōu)點，可吸收和消耗更多的地震能量，實現(xiàn)更安全的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

(4)鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)用鋼量比鋼筋混凝土框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)用鋼量高，工程造價成本更高。通過本工程的造價分析，比混凝土方案單方造價高1 015.86元/m2。

(5)鋼框架-偏置筒體結(jié)構(gòu)采用裝配式施工，可以提高施工效率，本文對本工程的分析中，標準層節(jié)省施工工期約66d。

(6)如果工期不緊張，對造價要求很嚴格，可選用方案1；如果工期緊張，對造價要求不高的情況下，可選用方案2。