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1高層建筑結(jié)構(gòu)選型的問題

當(dāng)前我國高層建筑結(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)土建造價單一指標(biāo)或幾個易于轉(zhuǎn)換成計量單位評估的定量指標(biāo)來進行決策。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，需要對諸多因素做大量細致分析。對一棟高層建筑來說，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。選錯結(jié)構(gòu)型式，不僅會使高層建筑綜合經(jīng)濟效益低下，而且使該建筑物給社會經(jīng)濟環(huán)境帶來不良影響。

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和投資能力，還要考慮所選結(jié)構(gòu)型式對建筑功能的適應(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)場地的地形、地貌、自然災(zāi)害等等。一個合理的結(jié)構(gòu)型式是通過進行多目標(biāo)決策，將諸多因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)而產(chǎn)生。而設(shè)計人員正是缺乏這種從整體(或全局)的綜合經(jīng)濟效益出發(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)計變量和目標(biāo)函數(shù)不能達到應(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《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(以下簡稱為《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)定對位于IV類場地的建筑或不規(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)方對大空間的要求。

2.1.2選用建筑設(shè)計規(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，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，理論和實驗依據(jù)不夠，設(shè)計人員在沒有充分計算、試驗、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)濟效益好。

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、造價高、工期長、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。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)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，選擇出合適的幾個結(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;或者整個結(jié)構(gòu)擺動過大。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)對風(fēng)荷載作用引起足夠重視，選擇時要考慮結(jié)構(gòu)體系在強度、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)生的振動控制在人對不適感的容許限度范圍之內(nèi)?，F(xiàn)有地震災(zāi)害資料及工程經(jīng)驗表明，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地的地質(zhì)條件影響。因地震運動的隨機性及復(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。實驗表明，要合理選擇抗震結(jié)構(gòu)體系，使設(shè)計的結(jié)構(gòu)總體方案更加創(chuàng)新和完美，精確的數(shù)值計算分析固然重要，但更有賴于正確運用概念設(shè)計的思想及工程經(jīng)驗的定性判斷。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及計算手段改進也是影響結(jié)構(gòu)選型的一大因素。

2.2.2經(jīng)濟因素對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的制約我國的“適用、經(jīng)濟、安全、美觀”建設(shè)方針把經(jīng)濟放在重要地位，在結(jié)構(gòu)選型決策時對不同結(jié)構(gòu)體系進行經(jīng)濟比較具有重要性。從整體的和長遠的角度利用綜合經(jīng)濟分析方法系統(tǒng)地考慮結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性。首先是不但要考慮某個結(jié)構(gòu)方案付諸實施時的一次性投資費用，還應(yīng)考慮其全壽命期費用;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)約勞動力等各項指標(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)濟效益。從能耗面分析，我國建筑能耗約占全國總能耗的25%～30%，隨著人民生活水平提高，建筑能耗在我國總能耗中所占比例還將增加。依據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，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，可以使整個建筑更早地投入使用，取得經(jīng)營收入，同時還可以縮短貸款的還貸時間，減少還貸利息。因此，即使結(jié)構(gòu)方案的一次投資費用較高，也可能是經(jīng)濟的方案。從結(jié)構(gòu)全壽命周期費用角度考慮，在進行結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟分析時，考慮一次性投資費用不夠全面。一幢建筑物在其整個使用壽命期內(nèi)(一般為50a)會發(fā)生其它費用，如結(jié)構(gòu)的一般維護、維修費用，災(zāi)后的重建費用等等，這些費用的數(shù)額較大，進行結(jié)構(gòu)選型決策時也應(yīng)予以考慮。

2.2.3施工水平對高層建筑結(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)手段對建筑結(jié)構(gòu)型式有很大影響，主要表現(xiàn)在先進施工技術(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，有關(guān)設(shè)計人員應(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)型式可以對應(yīng)不同的施工工藝，而不同的施工工藝會影響材料消耗、勞動力、工期及造價等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、抗震性能、計算分析及構(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行。通常，先對備選結(jié)構(gòu)方案進行定量分析，然后進行定性分析，最后兩者綜合起來進行整體成本分析，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增加，在銷售上就能體現(xiàn)出其經(jīng)濟效益，可以抵消一部分因采用鋼結(jié)構(gòu)而增加的費用。施工工期對整體成本的影響主要體現(xiàn)在“時間即是成本”的關(guān)系上。

4小結(jié)

結(jié)構(gòu)選型所涉及的影響因素是比較多，它是一個多目標(biāo)的綜合決策問題。要求在確定決策的綜合目標(biāo)函數(shù)時，要盡可能多地考慮各種影響因素(包括確定性和非確定性的影響因素)，并反映到具體的子目標(biāo)函數(shù)上來。一個綜合目標(biāo)函數(shù)只有充分地考慮了大多數(shù)的影響因素時，得出的綜合目標(biāo)函數(shù)值才有足夠的根據(jù)，最終的決策才可能有足夠的說服力和可信度。從而綜合目標(biāo)函數(shù)值最高的結(jié)構(gòu)方案即為能使該高層建筑的綜合經(jīng)濟效益達到“令人滿意”的結(jié)構(gòu)方案。在考慮子目標(biāo)函數(shù)時由于在多個目標(biāo)之間可能存在矛盾甚至可能是互斥，對一個目標(biāo)來說是最優(yōu)的，對另一些目標(biāo)就不一定能滿足的情況，就不存在對所有目標(biāo)都是最優(yōu)的方案。這就形成一個對目標(biāo)函數(shù)數(shù)量選擇的“度”的問題。

作者：馮順劉立單位：西華大學(xué)建筑與土木學(xué)院