馮 順，劉 立

(西華大學(xué)建筑與土木學(xué)院 ，四川成都610000)

在高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予建筑物一個(gè)支撐骨架。該骨架型式及其空間關(guān)系的合理性不僅直接關(guān)系到建筑物的安全，而且關(guān)系到建筑物能否實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的功能和能否達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，若高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型不當(dāng)，同樣難以做出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題，對(duì)于高層建筑的設(shè)計(jì)、施工乃至使用、維護(hù)而言，都具有至關(guān)重要的意義。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的問題

當(dāng)前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)選型普遍不重視結(jié)構(gòu)選型決策工作，而且缺乏一套完整系統(tǒng)、可行的方法來操作，僅以上部結(jié)構(gòu)土建造價(jià)單一指標(biāo)或幾個(gè)易于轉(zhuǎn)換成計(jì)量單位評(píng)估的定量指標(biāo)來進(jìn)行決策。因此高層建筑結(jié)構(gòu)選型存在如下問題：第一是影響因素的不確定性。結(jié)構(gòu)選型決策工作具有很強(qiáng)的綜合性，包含大量確定與不確定的因素，多因素共同作用的結(jié)果決定結(jié)構(gòu)的型式，需要對(duì)諸多因素做大量細(xì)致分析。對(duì)一棟高層建筑來說，按當(dāng)前常規(guī)做法是不太可能得到完善合理的結(jié)構(gòu)型式的。選錯(cuò)結(jié)構(gòu)型式，不僅會(huì)使高層建筑綜合經(jīng)濟(jì)效益低下，而且使該建筑物給社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境帶來不良影響[1]。第二是影響因素的多樣性。結(jié)構(gòu)體系的選擇受到諸多條件和因素影響，除了要考慮工程造價(jià)和投資能力，還要考慮所選結(jié)構(gòu)型式對(duì)建筑功能的適應(yīng)性、施工條件、技術(shù)能力、施工工期、建筑材料和能源供應(yīng)、建筑美學(xué)要求，包括建筑群及其環(huán)境的配合，建設(shè)場(chǎng)地的地形、地貌、自然災(zāi)害等等。一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)型式是通過進(jìn)行多目標(biāo)決策，將諸多因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)而產(chǎn)生。而設(shè)計(jì)人員正是缺乏這種從整體(或全局)的綜合經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)來處理結(jié)構(gòu)選型問題的觀念，并由于缺乏處理模糊概念的方法和手段，不自覺地把不少本來為模糊的量忽略或當(dāng)成確定性的，這使得設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)不能達(dá)到應(yīng)有的取值范圍，從而導(dǎo)致決策結(jié)果不是真正的最滿意的。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素分析

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型不合理的情況及原因分析

2.1.1 超出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的適用范圍

高層建筑的各種結(jié)構(gòu)體系有各自的適用范圍，我國(guó)《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱為《高規(guī)》)給出了各類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度。首先房高超規(guī)。如高規(guī)規(guī)定對(duì)位于IV類場(chǎng)地的建筑或不規(guī)則建筑高度應(yīng)適當(dāng)降低?？拐鹨?guī)范條文說明指出：“不規(guī)則或在IV類場(chǎng)地上的結(jié)構(gòu)，適用高度一般降低20 %左右。有框支剪力墻的結(jié)構(gòu)，抗震的不利因素是明顯的，適用高度一般降低20 %～30 %”。有的不規(guī)則高層建筑高度未按要求降低。其次是剪力墻間距超規(guī)主要體現(xiàn)為框剪結(jié)構(gòu)中超過高規(guī)中關(guān)于剪力墻間距的規(guī)定和在有框支墻的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)中，落地剪力墻間距超過《高規(guī)》規(guī)定。超過的原因主要是為滿足建設(shè)方對(duì)大空間的要求。

2.1.2 選用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有的結(jié)構(gòu)體系

近年來，由于建筑功能、建筑藝術(shù)以及城市規(guī)劃的需要，高層建筑不僅在層數(shù)、高度上迅速增長(zhǎng)，而且結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜多變，很多高層建筑的高度已處于《高規(guī)》適用范圍之外。這些非常規(guī)結(jié)構(gòu)往往沒有先例可依循，理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)不夠，設(shè)計(jì)人員在沒有充分計(jì)算、試驗(yàn)、論證的情況下自行“創(chuàng)新”出一些結(jié)構(gòu)；這些結(jié)構(gòu)型式本身就很可能受力不合理，更談不上綜合經(jīng)濟(jì)效益好[2]。

2.1.3 選用不合理的結(jié)構(gòu)型式

首先有的地方新建高層住宅采用重量大、剛度過大、地震反應(yīng)力大、基礎(chǔ)大、造價(jià)高、工期長(zhǎng)、不利抗震、不便使用的小開間剪力墻結(jié)構(gòu)。如新建4棟23層～25層高層住宅采用小開間剪力墻結(jié)構(gòu)，兩層箱形基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)方案不合理，造成很大浪費(fèi)。其次高層建筑與裙房用后澆縫連成整體(包括基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu))，一般裙房用框架結(jié)構(gòu)，主樓用框剪結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)。在用后澆縫連成整體前，高層建筑與裙房選用的結(jié)構(gòu)型式均無問題，用后澆縫連成整體后則明顯有剪力墻布置不均勻、不符合《高規(guī)》關(guān)于框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最大間距的要求和剪力墻數(shù)量過少，其承擔(dān)的底部彎矩小于總地震彎矩的50 %等問題。

2.2 影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

2.2.1 結(jié)構(gòu)受力合理性

結(jié)構(gòu)受力合理性包括結(jié)構(gòu)能有效抗風(fēng)、可靠抗震、傳力途徑明確、應(yīng)力分布合理、破壞機(jī)制合理等等。結(jié)構(gòu)選型必須保證結(jié)構(gòu)體系的受力合理，要根據(jù)力學(xué)要求比較各種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出合適的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合影響因素做分析、篩選。水平荷載在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起控制作用，具體到非地震區(qū)，起控制作用的水平荷載就是風(fēng)荷載。在風(fēng)荷載作用下，高層建筑可能出現(xiàn)層間位移過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系中的承重構(gòu)件如梁、柱、墻等出現(xiàn)不同程度損壞；或者整個(gè)結(jié)構(gòu)擺動(dòng)過大。因此，在非地震區(qū)，特別是風(fēng)荷載較大的地區(qū)，高層建筑結(jié)構(gòu)選型應(yīng)對(duì)風(fēng)荷載作用引起足夠重視，選擇時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)度、變形方面滿足要求，還要使結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的振動(dòng)控制在人對(duì)不適感的容許限度范圍之內(nèi)。

現(xiàn)有地震災(zāi)害資料及工程經(jīng)驗(yàn)表明，在滿足建筑物使用功能要求前提下，地震區(qū)高層建筑的抗震安全性與經(jīng)濟(jì)合理性，很大程度上取決于抗震結(jié)構(gòu)體系的選型是否恰當(dāng)合理。而選型是根據(jù)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)又得依據(jù)設(shè)防烈度，設(shè)防烈度又受建筑物所在場(chǎng)地的地質(zhì)條件影響。因地震運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性及復(fù)雜性，既不可能準(zhǔn)確地劃定高烈度地震可能發(fā)生的地區(qū)和范圍，又不能在全國(guó)范圍內(nèi)普遍按照高烈度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，給結(jié)構(gòu)選型工作帶來困難。實(shí)驗(yàn)表明，要合理選擇抗震結(jié)構(gòu)體系，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總體方案更加創(chuàng)新和完美，精確的數(shù)值計(jì)算分析固然重要，但更有賴于正確運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想及工程經(jīng)驗(yàn)的定性判斷[3]。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及計(jì)算手段改進(jìn)也是影響結(jié)構(gòu)選型的一大因素。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)因素對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)選型的制約

我國(guó)的 “適用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀” 建設(shè)方針把經(jīng)濟(jì)放在重要地位，在結(jié)構(gòu)選型決策時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較具有重要性。從整體的和長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度利用綜合經(jīng)濟(jì)分析方法系統(tǒng)地考慮結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性。首先是不但要考慮某個(gè)結(jié)構(gòu)方案付諸實(shí)施時(shí)的一次性投資費(fèi)用，還應(yīng)考慮其全壽命期費(fèi)用；其次是除了以貨幣指標(biāo)核算結(jié)構(gòu)的建造成本外，還應(yīng)從節(jié)省材料消耗和節(jié)約勞動(dòng)力等各項(xiàng)指標(biāo)來衡量。此外，從可持續(xù)發(fā)展的角度來考慮，還要特別考慮資源的節(jié)約；再次是某些生產(chǎn)性建筑若能早日投產(chǎn)交付使用，可以較快地回收投資資金，更能得到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

從能耗面分析，我國(guó)建筑能耗約占全國(guó)總能耗的25 %～30 %，隨著人民生活水平提高，建筑能耗在我國(guó)總能耗中所占比例還將增加。依據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)，日常使用能耗占建筑總能耗的90 %以上，因此建筑節(jié)能的重點(diǎn)為日常使用能耗，其中尤以采暖及空調(diào)耗能為主。從結(jié)構(gòu)施工周期的縮短考慮，可以使整個(gè)建筑更早地投入使用，取得經(jīng)營(yíng)收入，同時(shí)還可以縮短貸款的還貸時(shí)間，減少還貸利息。因此，即使結(jié)構(gòu)方案的一次投資費(fèi)用較高，也可能是經(jīng)濟(jì)的方案。從結(jié)構(gòu)全壽命周期費(fèi)用角度考慮，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)分析時(shí)，考慮一次性投資費(fèi)用不夠全面。一幢建筑物在其整個(gè)使用壽命期內(nèi)(一般為50 a)會(huì)發(fā)生其它費(fèi)用，如結(jié)構(gòu)的一般維護(hù)、維修費(fèi)用，災(zāi)后的重建費(fèi)用等等，這些費(fèi)用的數(shù)額較大，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型決策時(shí)也應(yīng)予以考慮。

2.2.3 施工水平對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響

建筑施工的生產(chǎn)技術(shù)水平及生產(chǎn)手段對(duì)建筑結(jié)構(gòu)型式有很大影響，主要表現(xiàn)在先進(jìn)施工技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)方案密切與施工條件相結(jié)合以及施工使用階段階結(jié)構(gòu)受力狀況三個(gè)方面。施工技術(shù)條件不具備或選用的結(jié)構(gòu)方案不適應(yīng)現(xiàn)有施工技術(shù)能力，將給工程建設(shè)帶來困難。在結(jié)構(gòu)選型時(shí)，有關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)與施工單位人員溝通，共同磋商解決選型中出現(xiàn)的矛盾。另外選擇結(jié)構(gòu)型式時(shí)應(yīng)結(jié)合施工工藝因素考慮工程的具體施工條件。同一種結(jié)構(gòu)型式可以對(duì)應(yīng)不同的施工工藝，而不同的施工工藝會(huì)影響材料消耗、勞動(dòng)力、工期及造價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、抗震性能、計(jì)算分析及構(gòu)造措施。因此高層建筑結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)對(duì)施工工藝連同其它因素加以全面綜合權(quán)衡考慮。

3 高層結(jié)構(gòu)選型的方法

高層建筑結(jié)構(gòu)選型決策受諸多確定性因素和不確定性因素的影響。這些因素中有的能量化為定量指標(biāo)，而有一部分要憑經(jīng)驗(yàn)做出主觀判斷，因此比較分析備選方案應(yīng)從定量分析和定性分析兩方面進(jìn)行。通常，先對(duì)備選結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行定量分析，然后進(jìn)行定性分析，最后兩者綜合起來進(jìn)行整體成本分析，選出最佳方案。

整體成本分析方法受到結(jié)構(gòu)占用面積和結(jié)構(gòu)施工工期兩方面的影響。高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)占用面積比采用混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)占用面積小，建筑的有效使用面積相對(duì)增加，在銷售上就能體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)效益，可以抵消一部分因采用鋼結(jié)構(gòu)而增加的費(fèi)用。施工工期對(duì)整體成本的影響主要體現(xiàn)在“時(shí)間即是成本”的關(guān)系上[4]。施工工期的縮短，可使建筑物提早投入使用，縮短貸款建設(shè)的還貸時(shí)間，并且能提早出租增加租金收入，對(duì)整體成本的影響體現(xiàn)在利息和租金的收益上。

高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)與采用混凝土結(jié)構(gòu)相比，在建筑有效使用面積與施工工期方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，能取得較可觀的經(jīng)濟(jì)收益，從而可抵消一部分因采用鋼結(jié)構(gòu)而增加的費(fèi)用，進(jìn)而使得工程的整體成本明顯降低。通過整體成本分析高層建筑鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益主要來自結(jié)構(gòu)施工工期的縮短帶來的貸款利息節(jié)約、租金收入增多。從分析中還可知，高層建筑的層數(shù)越高，這方面的優(yōu)勢(shì)越明顯。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的造價(jià)低但工期長(zhǎng)，時(shí)間成本相對(duì)要高，在超高層建筑中的綜合經(jīng)濟(jì)效益就顯得相對(duì)較低。因此，當(dāng)業(yè)主對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)材料方案進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)該對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工工期優(yōu)勢(shì)加以充分考慮以爭(zhēng)取節(jié)約成本的機(jī)會(huì)。從結(jié)構(gòu)方案的整體成本出發(fā)以定量方法對(duì)影響整體造價(jià)的主要因素進(jìn)行量化和計(jì)算，根據(jù)得出的整體成本指標(biāo)直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的比較、選擇。這種定量方法把大量的不

圖5 2-2剖面橫橋向正應(yīng)力

(1) 索塔錨固區(qū)的混凝土應(yīng)力分布更加均勻，鋼束布置更加合理。由圖4、圖5可知彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布比較均勻。

理論上來說由于“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中通過塔側(cè)壁的預(yù)應(yīng)力筋束數(shù)是通過塔前壁預(yù)應(yīng)力筋束數(shù)的1/2倍，從而使塔前壁與塔側(cè)壁的應(yīng)力值形成了一定的比例關(guān)系，致使錨固區(qū)各截面的應(yīng)力分布不均勻。這就意味著在進(jìn)行索塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)將不能通過調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)量而有效地調(diào)節(jié)塔前壁與塔側(cè)壁的應(yīng)力分布。

(2)由圖4、圖5可知“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力值均比彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力值小，所以不論在長(zhǎng)邊方向上還是短邊方向上彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)均能提供更大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

[1] 孟遠(yuǎn)遠(yuǎn).特大斜拉橋索塔錨固區(qū)力學(xué)特性及全橋抗震分析研究[D].西南交通大學(xué),2013

[2] 卓衛(wèi)東,房貞政.預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔斜索錨固區(qū)空間應(yīng)力分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,27(2):203-206

[3] 項(xiàng)貽強(qiáng),陳國(guó)強(qiáng).鄱陽湖口大橋索塔節(jié)段足尺模型試驗(yàn)與分析研究[J].中國(guó)公路報(bào),2000,13(4):74-78

[4]TB10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]