优化钢结构设计,突破高成本瓶颈(中)|案例分析

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本篇介绍案例3。

优化钢结构设计,突破高成本瓶颈(中)|案例分析

案例3

某超高层办公楼结构方案比较

1、工程概况

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(工程现场图片来源于作者)

2、超高层建筑结构体系发展趋势

在超高层建筑结构设计中,采用何种结构体系直接影响到项目投资的经济合理性,是建设方和设计方极为关心的问题之一。

传统上,我国超高层建筑多采用钢筋混凝土结构体系,近10多年来逐渐采用钢-混凝土混合结构,且得到了迅速的发展。钢-混凝土混合结构体系融合了钢结构和混凝土结构的优点,承载力高、延性好、变形能力强,从而具有较强的抗风和抗震能力。

根据中国建筑学会建筑结构分会高层建筑结构专业委员会在2006年的统计,我国高度超过200m的32栋超高层建筑中,7、8度抗震设防区的建筑基本都采用了混合结构体系(有15栋) ,可见该结构体系越来越受到结构工程师的青睐。

3、混合结构与混凝土结构的综合经济比较分析

与传统采用钢筋混凝土结构相比,超高层建筑结构中采用混合结构会带来结构用钢量的增加,前期投入增大。投资方与设计方都很关注这两种结构类型的综合经济效益的对比,但可供参考的资料并不多。

通过对上海地区采用混合结构和混凝土结构的综合经济效益进行分析,结果表明,高层建筑采用混合结构的时间成本相对较低,具有优越的综合经济效益。

超高层建筑采用钢-混凝土混合结构与混凝土结构设计方案,并非一个简单的课题,它涉及到结构设计、施工管理、风险投资和资本运作等多个方面。工程整体性成本并非指工程总投资额,而是指建筑物的建安造价、由施工工期与建筑有效使用面积差异带来的经济收益转换而得到的等效成本之差。

即:工程整体性成本=建安成本 – 由施工工期与建筑有效使用面积差异带来的经济收益转换而得到的等效成本

根据该项目特点,对两种结构方案进行对比分析,分别如下:

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两种方案标准层布置图分别见图1及图2。

主要结构构件的强度等级及结构构件尺寸及见表 3、4,计算结果对比见表 5。

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3.1得房率和净高增加的收益

当框架柱采用钢管混凝土柱时,由于钢管对核心混凝土的约束效果,使得构件强度进一步提高,且《矩形钢管混凝土结构技术规程》( CECS159-2004) 中对钢管混凝土柱的轴压比限值较为宽松,可以充分发挥钢管混凝土柱的抗压性能。

由表4可以看出,由于高强钢材的使用,混合结构方案的柱截面变小,由此可以增加得房率1%~3%。同时,混合结构的梁高要小于混凝土结构,且钢框架梁可以采用蜂窝梁,管道可以从钢梁的腹板开孔中穿过,由此可增大楼层净高,使得建筑更加舒适合理,或者在相同净高前提下做足容积率。建筑的使用面积及净高的增加,都可以在项目销售时取得可观的经济效益。

3.2建设周期缩短的收益

(1)采用混合结构体系比混凝土结构体系可以缩短工期2~3个月,通过缩短工期可以节省可观的时间成本,包括管理成本、财务成本等。

混合结构采用矩形钢管混凝土柱和组合楼板,其中的钢管、压型钢板可以作为混凝土的永久模板,省去了支模的费用及工期,可以缩短现场工期。这体现了混合结构施工速度快、现场湿作业少的优点。

外框架采用钢管混凝土结构,核心筒为混凝土剪力墙,可以组织交叉施工作业,进一步加快施工进度,缩短建设周期。在合理施工组织下,混合结构体系的施工速度较快,与钢结构大致相同甚至更快。而混凝土结构施工受天气气候的影响较大,据统计一些已经建成的超高层混合结构平均每层施工周期为4~7d,比混凝土结构缩短约2d。

(2)钢管混凝土柱的应用,还有利于深基坑采取自支护系统和逆作法施工,使地上结构和地下结构同时施工,可以进一步缩短工期3~6个月,缩短贷款期限,减少贷款利息,而且可以提前租售,尽快收回资金,提高项目整体的经济效益。

3.3结构造价降低的收益

结构造价对工程总体成本的影响较直观,为了反映两种不同材料的造价差异,将两种方案需投入的工程量进行对比,其结果见表6。

由于采用的结构材料不同,使得结构自重差别较大,因此对基础的造价影响也较大。从表5及表6可见,由于混合结构构件中大量钢结构的使用,使得在结构造价方面,混合结构体系要比混凝土结构体系高20% 。

但混合结构采用了大量轻质高强的钢材,因此结构自重比混凝土结构要轻,基础造价比混凝土结构要低14%。

另外,从表6可以看出,混合结构方案中混凝土的用量是混凝土结构的 66.3% ,并且混合结构钢管混凝土柱可以完全省去钢筋骨架绑扎和安装模板的工作量及工期。根据《矩形钢管混凝土结构技术规程》( CECS159-2004),混合结构中钢结构工程的防火设计也可以采用基于性能化的抗火设计方法,根据构件的实际受力状态和边界约束条件,确定其防火保护层厚度,降低钢结构工程的防火涂料费用。据统计,钢管混凝土柱与钢柱相比,可节省防火涂料费用60%。

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3.4综合经济分析

超高层建筑采用混合结构,在建筑有效使用面积和施工工期方面具有很大的优势,并能取得较可观的经济收益,从而可抵消因采用型钢而增加的材料费用,进而使工程整体成本明显降低。尽管前期投入成本稍高,但本工程综合各种利弊因素,混合结构具有显著的综合效益。当然采用型钢也具有使用后可以回收、更环保的优点,是绿色结构体系。

从表3可以看出,混合结构中钢管混凝土柱最大轴压比仅为 0.51,钢管壁厚较厚,楼层层间位移角远小于1/800,因而整个结构体系中包括构件和剪力墙核心筒仍存在很大的优化空间。

此外,本工程如采用混凝土结构体系则必须进行超限审查,进一步延长开发周期。本工程的结构高度148m,若采用混凝土结构方案,则超过《高层建筑混凝土结构技术规程》 ( JGJ3-2002)中A级高度130m的高度限值,属B级高度的超限工程,初步设计阶段必须进行超限审查,整个审查文本准备及审查周期一般为35~45d,这无形中又延长了混凝土结构的建设周期。而根据其他类似项目的经验,超限审查专家很有可能要求设计方重新进行结构方案选型,返回到重新选择抗震性能更优、综合效益更好的混合结构方案。

4、小结

通过对混合结构与混凝土结构进行经济性能、结构性能、实用性能等多方面比较得知,混合结构体系的梁柱截面较小、自重轻、轻巧美观、得房率高、抗震性能良好、建设工期短,是未来超高层建筑结构的发展方向。虽然混合结构的建安工程造价略有提高,从大成本角度而言,综合考虑建筑安全、开发周期、适用美观等方面,混合结构方案的综合效益更为显著。

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