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1高層建筑結(jié)構(gòu)選型的問(wèn)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(lái)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(lái)進(jìn)行決策。因此高層建筑結(jié)構(gòu)選型存在如下問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(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(guò)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(lái)處理結(jié)構(gòu)選型問(wèn)題的觀念，并由于缺乏處理模糊概念的方法和手段，不自覺(jué)地把不少本來(lái)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。抗震規(guī)范條文說(shuō)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(guò)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(guò)《高規(guī)》規(guī)定。超過(guò)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(méi)有的結(jié)構(gòu)體系近年來(lái)，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(méi)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(méi)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。

2.1.3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(guò)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(kāi)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(kāi)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(wú)問(wèn)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(guò)少，其承擔(dān)的底部彎矩小于總地震彎矩的50%等問(wèn)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(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(guò)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(guò)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(lái)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。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(lái)衡量。此外，從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)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50a)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(lái)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(lái)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(gè)多目標(biāo)的綜合決策問(wèn)題。要求在確定決策的綜合目標(biāo)函數(shù)時(shí)，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(lái)。一個(gè)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(shí)，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(shuō)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(jì)效益達(dá)到“令人滿意”的結(jié)構(gòu)方案。在考慮子目標(biāo)函數(shù)時(shí)由于在多個(gè)目標(biāo)之間可能存在矛盾甚至可能是互斥，對(duì)一個(gè)目標(biāo)來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的，對(duì)另一些目標(biāo)就不一定能滿足的情況，就不存在對(duì)所有目標(biāo)都是最優(yōu)的方案。這就形成一個(gè)對(duì)目標(biāo)函數(shù)數(shù)量選擇的“度”的問(wèn)題。

作者：馮順劉立單位：西華大學(xué)建筑與土木學(xué)院