超高层混合结构与混凝土结构综合经济比较分析.pdf

第8 期 2 o 0 7 年8 月 广东土 木与建 筑 GUANGD 0NG ARC HI T EC T URE C I VI L E NGI NE ER I NG N o ． 8 A U G 2 0 0 7 超高层混合结构与混凝土结构综合经济比较分析 黄用军 尧国皇 ( 中建国际深圳设计顾问有限公 司 ~ g ． ． 3 o il 5 1 8 0 3 3 ) 摘要 ： 超 高层 建筑采 用钢一 混凝土混合结构与混凝土结构相 比具有优越的结构性能， 但存在造价 高， 用钢量增 加等问题 ， 本文不对实际结构工程实例进行 比较 ， 旨在基 于相关文献和笔者的工程经验， 给出了超高层建筑采用钢一 混凝土混合结构与混凝土结构设计方案综合经济效益比较分析的基本原则， 供设计人 员在 实际结构选型时参考 。 关键词 ： 超高层 建筑；结构体 系；施 工周期 ；综合效益 1 前 言 众所周知 ． 在超高层建筑结构设计 中采用何种 结构体系是投资方和设计方讨论最多的问题之一 ． 因为它直接影响到建筑的经济合理性 我国超高层 建筑传统地采用钢筋混凝土结构体系． 近 1 0多年来 才开始采用钢一 混凝土混合结构 ．该结构体系融合 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 目 前落成的赛格广场大厦 、 香港中环东北大楼 、 长江中 心大厦 、 上海金茂大厦、 深圳地王大厦 、 台北 国际金 融中心( 1 0 1 广场) 、 高雄国际广场大厦 、 北京 L G大 厦等 ． 均采用了混合结构体系 ． 而且越来越受到结构 工程师的青睐。《 高层建筑混凝土结构技术规程》 ] 给出了混合结构体系的定义 ． 上海市工程建设规范 《 高层建筑钢一 混凝土混合结构设计规程》 则对《 高 规》 中混合结构体系的范围作了扩展 ， 指 出： 混合结 构指钢框架 ( 或钢支撑框架) 或钢组合框架与钢筋混 凝土简体( 或钢筋混凝土剪力墙 ) 共 同工作所构成的 结构体系． 其 中钢组合框架包括型钢混凝土柱框架 和钢管混凝土框架。这些规程的颁布进一步促进了 混合结构体系在实际工程 中的应用。 与传统的钢筋混凝土结构体 系相 比． 采用混合 结构体系必然带来结构用钢量的增加 ． 土建工程前 期投入必然增大 ． 然而超高层建筑结构 中采用混合 结构与混凝土结构 的综合经济效益 比较如何 ． 相关 报道还 比较少见 ， 文献 『 3 ] 以工程 的上部结构造价 、 建筑的有效使用面积 、 地基基础的处理费用以及结 构施工工期等方面对上海地 区采用混合结构和混凝 土结构 的综合经济效益进行了比较分析 ． 分析结果 表 明． 高层建筑采用钢结构时间成本相对较低． 具有 优越的综合经济效益 ； 文献[ 4 ] 通过 2个工程实例的 综合效益进行比较 ．结果表明超高层结构中采用钢 结构具有较 明显的优势 ； 文献[ 5 ] 对某 2 2层高层建 筑结构采用钢结构和混凝土结构进行 了经济性分 析 ， 并指出只要通过合理选用结构方案 、 构件布局 、 截面形状和节点构造设计等 ． 努力挖潜 ， 精心设计 ， 降低钢结构综合造价是完全可行的 以上的研究成果为本文的撰写提供了宝贵的技 术资料． 本文不对实际的结构工程实例进行比较， 旨 在基于相关文献和自身工程经验 ．给出了超高层建 筑采用钢一 混凝土混合结构与混凝土结构设计方案 综合经济效益 比较分析的基本原则 ．供同行在实际 工程结构方案选型时参考 2 混合结构与混凝土结构综合经济比较分析 以下通过结构造价 、 结构占地面积和施工周期对 整体成本的影响等方面 ． 论述超高层建筑采用混合结 构和混凝土结构的综合经济效益比较．其前提是机 电设备、 电梯、 装修等非结构性项 目不因结构体系变 化而变化 ， 且采用不同结构材料所产生的结构抗震 、 建筑布置的灵活性 、施工对周围环境的影响等也暂 不作为本文的比较分析内容 本文提及 的工程整体成本并非指工程总投资 额 ． 而是指工程的结构造价和由于采用不同结构材料 所产生的结构施工工期与建筑有效使用面积的差异 并由此带来的经济收益转换而成的等效成本之和l 3 。 2 ． 1 结构造价对整体成本的影响 结构 造价包括地基基础 处理费用 、 地下室 和上部 结构的造价． 由于结构造价对工程总体成本的影响较 3 维普资讯 2 0 0 7 年8 月 第8 期 黄用 军等： 超高 层混合 结 构与混凝 土结 构综 合经济比 较 分析 A U G 2 0 0 7 N 0 ． s 直观 ．可直接把两工程所需投入的实物和资金体现 出来 ． 也是开发商首先关心的问题。由于采用的结构 体系不同， 结构材料也不同． 使得结构 自重也差别较 大 ． 因此 对基 础 的造 价影 响也较 大 笔者曾参与一个超高层建筑的结构设计 ． 地上 5 8层 ． 地下 3层 ． 当混凝土结构方案改成混合结构 方案后 ． 结构质量有较大减轻， 由原来 的 1 8 1 3 2 7 t 减 至 1 4 1 4 3 5 t ． 减少 了将近 4万 t ， 单是桩基费用就节 约了 1 0 0 ． 9万元( 人工挖孔桩按当地平费用计算 ) ． 如果采用钢管桩． 节约的费用则在 8 0 0万元以上。 表 l 给出了某超高层混合结构和混凝土结构的 工程概况和造价 比较_ 3 ] ． 需要说 明的是 ． 表 l中没有 将外墙维护费用对整体成本的影响列入 ． 混合结构 中钢结构工程的防火保护费用包括在总体造价中 从表 l 可见 ． 由于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 ． 但 由于 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 土结构体系要高 表 1工程概 况和造价比较[ 混合结构中钢结构工程的防火保护也可以基于 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 4 构工程的防火保护费用 当然． 混合结构中钢结构工 程 的防火保护也可以采用外抹水泥砂浆．框架柱也 可以选用型钢混凝土柱或钢管混凝土叠合柱f 不需要 防火保护 ) ． 这样可使得混合结构的造价有所降低 。 2 ． 2 结构占用面积对整体成本的影响 由于高强钢材的使用． 使得混凝土结构构件截面 比混凝土结构要小． 尤其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． 且有关规程对钢管混凝土柱的轴压比 限值较为宽松 另外 ， 由于钢一 混凝土组合构件( 钢管 混凝土柱 、 钢管混凝土叠合柱 、 型钢一 钢管混凝土柱) 较好的延性 ．使得高强混凝土的使用成为可能E6 , 7 ] ， 可进一步减小结构占地面积．增加实际可使用面积 ( 包括办公面积和地下停车位等) 。 另外 ， 选用高强钢 材 ， 能进一步减小结构 占地面积 ， 但高强钢材往往价 格较高 ． 因此也应进行比较分析。 上述原 因使得超高层建筑 中采用钢一 混凝土混 合结构的面积比例小于混凝土结构． 但建筑有效使用 面积相对增大． 在销售上能体现其经济效益[ 3 ] 。通过 表 2的比较_ 3 ] 可见混合结构的有效使用面积率 比混 凝土结构要高 表 2有效使用面积 比较Ⅲ 值得一 提的是 ． 当超高层混合结构 中 的 框 架 梁采 用 蜂 窝 梁．管道从钢梁中开 孔 中穿过 时( 如图 1 ) ． 可在楼层净高要求相 同的情况下使其层高 更小 我们简单计算 过 一 栋 6 O层 超 高 层 混凝土建筑 ，如采用 蜂窝梁便可在相同建 筑高度情况下．增加 4 5层 结 构 面 积 ． 在 销售 时可取 得可 观 的 经济效益 ( b ) 图 1钢梁腹板开洞 维普资讯 2 0 0 7 年8 月 第8 期 广东 土木 与建筑 A U G 2 0 o 7 N o $ 2 - 3 结构施工周期对整体成本的影响 由于结构体 系以及使用的主体材料不同． 工程 上部结构施工工期会受到较大影响． 同时施工环境 及季节 、 工程量大小、 地质条件等诸多因素也会对施 工工期造成影响 当采用钢一 混凝土混合结构体系时． 由于钢与混 凝土弹性模量不同及混凝土的收缩徐变特性 ．使得 核芯筒与外围竖向构件存在差异变形而引起较大的 次应力． 在组合结构设计中必须加以考虑 具体处理 方法是通过让混凝土核芯筒先施工至一定高度 ． 再 开始外围构件施工．使楼面混凝土浇捣完时简体与 外围构件有效折算应力△ 增量接近． 从而控制两者 的差异变形在可接受范围内，降低构件 由于差异变 形引起的次应力 。对于有伸臂桁架 的结构 ． 需对伸 臂桁架节点作先铰后刚的连接处理 ． 以释放施工阶 段的相对位移。外围钢柱的制作长度也需根据现场 测量情况作 出调整． 以降低徐变 、 收缩 和弹性压缩的 不利影响[ 8 _ 最符合上述原则的施工过程是将各部分的施工 分别进行， 之间相距数层[9 _ ： ①钢筋混凝土核心筒采 用爬模施工 ， 爬模 自支撑于核心筒上 ． 无需脚手架 ： ②安装周边钢框架 ． 充分利用钢结构施工周期短的 特点； ③若采用钢管混凝土柱． 外钢管可一次立好数 层 ， 然后浇灌钢管内混凝土 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 ， 如一些超高层混 合结构实例的平均每层施工周期为 4 d ～ 7 d ． 比混凝土 结构缩短约 2 d 。 另外 ． 混凝土结构施工受天气气候影 响较大 ． 工期的缩短有利于建筑物及早投人使用 ． 缩 短贷款建设的还贷时间． 且提早出租增加租金收人． 对整体成本的影响体现在利息和租金的收益上 作 为实例 ． 我们获得 了某混合结构和混凝土结构利息 节 约情况 l 1 1 ] 超高层建筑采用混合结构体系 ． 由于施工周期 的缩短． 建筑可提前投人使用． 以及有效使用面积的 增大， 必然带来租金 的收益 ， 它与建筑场地 、 出租面 积率和楼层位置等因素有关 2 ． 4 综合经济分析 超高层建筑采用钢一 混凝 土混合结构 ．在建筑 有效使用面积和施工工期方面具有一定 的优势 ， 并 能取得较可观的经济收益 ． 从 而可抵消一部分 因采 用钢结构而增加的材料费用 ． 进而使工程整体成本 明显降低⋯” 对于特定的实际工程 ． 将以上各种有 利有弊的因素都加以考虑 ．投资方可在各方的配合 下．对两种结构体系作详细的综合经济性比较分析 ． 经多方论证找到最优和最合理经济的结构设计方案。 3结 语 超高层建筑采用钢筋混凝土结构的造价虽低 ， 但工期相对较长 ． 时间成本相对较高． 而采用混合结 构具有结构占用面积小 、 施工工期短的优点 ， 但结构 造价高 ， 前期资金投人大 ， 当然钢材也具有 可回收、 更环保的优点 超高层建筑采用混合结构或是混凝土结构 ． 其 综合经济效益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， 投资方可在各方的配合下 ，对两种结构体系作详细 的综合经济性比较分析． 进行多方面论证 ． 找到最优 最合理经济的结构设计方案 ．望本文能起到抛砖引 玉的作用 参考文献 [ 1 ]J G J 3 - 2 ~2 高层建筑混凝土结构技术规程 [ S ] 『 2 ]D G ／ T J 0 8 — 0 1 5 — 2 0 0 4 高层建筑钢一 混凝土混合结构设 计规程 『 S ] [ 3 ]李国强 ， 张洁．上海地区高层建筑采用钢结构与混凝土 结构的综合经济比较分析 [ J ] ．建筑结构学报 ， 2 0 0 0 ( 2 1 ) [ 4 ]陆敏 ， 许 海峰． 超 高层 钢结构与钢筋混凝土结构综合经 济对 比分析[ J ] ． 广东土木与建筑 ， 2 0 0 5 ( 1 1 ) [ 5 ]姜正 荣 ， 王仕统．高层钢结 构与钢筋混凝土结构技术经 济比较 [ J ] ． 钢结构 ， 2 0 0 4 ( 6 ) [ 6 ]韩林海．钢管混凝土结构一 理论与实践 ( 第二版 ) [ M] ． 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 7 [ 7 ]C E C S 1 8 8 ： 2 0 0 5 钢管混凝土叠合柱结构技术规程[ S ] [ 8 ]张坚 ， 陈国成．混凝土简体先于外钢框架施工 阶段结构 分析 [ J ] ．结构工程师， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 3 ) [ 9 ]李国强 ， 陈素文 ， 丁翔等．高层建筑钢一 混凝土混合结构 设计实例 [ J ] ．建筑钢结构进展 ， 2 0 0 5 ， 7 ( 6 ) [ 1 O ] 张 力 ， 朱 颖 菲 ， 项 宗方 ．深圳 星河 世 纪结 构方 案 优选 [ J ] ．后勤工程学 院学报 ， 2 0 0 5 ( 1 ) [ 1 1 ] 赵荣招 ， 张友恩 ， 王少一． 高层钢结构与高层钢筋混凝土 结构的经济比较 [ J ] ．钢结构 ， 2 0 0 4 ( 1 ) 5 维普资讯