高层建筑设计中如何提高结构经济性的探讨

[摘要]如今建筑节能已经成为社会的共识，在高层建筑设计中如何控制结构的经济性和降低成本，越来越受到业界的关注和重视。本文就高层建筑经济指标相差巨大的原因和高层建筑设计中控制结构经济性的各方面分析进行了探讨。

[关键词]高层建筑；结构设计；技术经济

中图分类号：TU97 文献标识码：A文章编号：2306-1499-（2014）11-0047-01

近年来高层建筑发展迅速，体型复杂，功能多样，因而相应结构形式也复杂多样。在实际工作中，我们已经取得了很多成功经验，但也还存在许多不足之处。特别是设计和施工的经验不足引起的各建筑物技术经济指标数据存在较大差异，其中有很多不合理之处。对于高层建筑的一些特殊要求和构造问题，近年来研究得比较少。究其原因是建筑结构方案考虑不够周全细致和构造做法不统一造成使用功能的不合理，结构设计浪费；施工图纸过于简单、粗糙和施工单位技术力量薄弱造成施工中的错误和浪费。

1.高层建筑物经济指标会相差很大的原因

目前高层建筑构件纵向钢筋之间几乎没有空隙，配筋多到连混凝土都浇捣不进去；特别是梁、柱节点钢筋纵横交错，简直无法施工。另一方面，一些高层建筑中有梁、板、墙出现裂缝的例子。

（1）目前，高层建筑结构设计大都是根据已经确定好的建筑平面和竖向布置，先假定好构件尺寸，通过电算，再乘上一个大于1的安全系数以确定建筑构件的配筋。其中如果电算结果是个别指标超限，则对这些部分进行调整。至于这个方案是否经济合理；一些指标是否超出规定太多；对构件尺寸假定是否太大等，则心中无数，或根本未考虑。有比较才有鉴别。

（2）现在中高层建筑的设计几乎全部要考虑抗震，而我国的抗震规范强调“概念设计”，即地震影响和场地、建筑形体、平面与竖向布置、抗震结构体系等都应考虑结构的合理性。而高层建筑结构设计往往在城市规划、建设单位和建筑设计的要求和压力下让步，从而结构设计只能在已确定好的平面与竖向来进行修补、完善。

（3）计算判断高层建筑的可行的标准，主要根据在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线、自振周期以及风荷载和地震作用下，建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理的范围内。地震作用下，如果用结构按弹性计算的定点位移与建筑物总高度之比U/H近似地反映建筑物刚度的大小，则目前大多数中高层建筑物在1/7000~1/700之间，有些建筑物甚至达万分之一，大多数比规范的限值小得多，即刚度太大。刚度过大，周期则短，导致地震效应的增大，造成不必要的材料浪费；但刚度过小，结构变形加大，影响建筑物的使用。合理的刚度是多少，可以考虑对于框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒结构U/H取1/2000~1/2500；对于剪力墙结构U/H取1/2500~1/3000。当然，这个限值还要与其他因素综合考虑。

2.高层建筑设计中控制结构经济性的思考

2.1重视结构形式的选择

选择合理的结构形式，不仅能够满足建筑造型及使用功能的要求，还能达到受力的合理完善及造价的经济。在高层钢筋混凝土结构的住宅结构设计时，由于高层建筑设计中关键是控制水平荷载作用下结构的侧移，因此，抗侧力结构体系也就成为结构工程师选优的重要目标。按抗侧力结构体系的不同，高层住宅常用的钢筋混凝土结构体系有框架结构、框架剪力墙结构、短肢剪力墙结构、大开间剪力墙结构等。每一种结构形式的经济性都有所差别，且都有其相应的适应性、抗震性能。因此，设计人员在高层建筑结构体系的优化选择过程中，要根据建筑物使用功能的要求、建筑高度的不同、施工地带的地理环境、投资数额等因素，按照经济、合理、安全、可靠的设计原则，保证结构整体具有良好的抗震性能、足够的承载力和刚度的前提下，选择最合适的结构体系。

2.2重视建筑物的经济高度

在高层建筑中，建筑层数的增多，水平荷载也成为结构设计的控制因索。而水平荷载对结构产生的倾震力矩，以及由此引起的竖向构件产生的轴力与建筑物高度的平方成正比。此外，作为水平荷载的风载和地震作用，其数值也随着结构动力特性的不同，变化较大，因此对高层建筑结构的造价影响较大。据相关资料分析：

(1)建筑物造价与高度呈二次方关系，建筑物高度增加，造价亦增加；

(2)随着层数增多，竖直荷载对造价影响不大，因此如能降低层高，则能在造价增加不多的情况下获得更多的使用面积；

(3)高层建筑结构的侧移有时也对造价构成影响，随着高度增加，侧向变形迅速增大，其与建筑物高度的四次方成正比，与构件刚度成反比，为使建筑结构在正常使用状态下具有足够的刚度．避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性要求，同时考虑经济因素的影响，《高层建筑混凝土结构技术规程》中给出了各种结构体系的混凝土高层建筑最大适用高度，在设计中必须重视；

(4)建筑物层高对工程总造价也有影响，如高层建筑，基础设计荷载因层高的加大会显著增加，与此同时，采暖、空调、卫生、电气、垂直管道的长度及管径、垂直构件的抹灰装饰量、墙体脚手架及垂直构件模板的数量也会相应增加。反之，建筑如考虑保温隔热的需要，层高的降低则更有利于满足节能的要求。

2.3重视基础结构设计

基础工程的投资约占工程总投资的20%～30%，基础设计的重要性可见一斑。一般高层、小高层建筑考虑基础埋深的要求1/18建筑物高度，通常设置地下室采用桩筏基础。因此，如何对桩进行合理选型，将对整个地下室设计的经济性影响极大。例如某一工程，上部十八层带一地下室，根据勘察报告，采用Φ400预应力管桩，可选桩长有桩长25m，单桩承载力特征值Ra=900kN，桩长34m，单桩承载力特征值Ra=1300kN。采用25m桩需要290根，采用34m桩需要200根。从桩本身比较两种方案，总的桩延米数量相当，但采用25m桩为满樘布置，筏板厚需1200mm，而采用34m桩为墙下布置，筏板可减至900mm，经济性明显。因此基础选型应作方案比较，才能选定经济合理的方案。

2.4重视建筑形式的优化

建筑平面及竖向形式的优化比尺寸优化更有意义。首先，建筑物平面形式越简单，用钢量就少。每层面积相同或相近，则外墙长度越大的建筑其用钢量就越大，平面形式是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且可以衡量结构抗震性能的优劣。其次，建筑物竖向体型规则和均匀，刚度没有突变，抗侧刚度从上而下均匀变化，其受力均匀，用钢量就小，反之则大。因此，在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面布置简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。那么结构体系就会具有更合理的刚度和承载力分布，从而避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到初步设计和施工图设计阶段过程中对截面尺寸的优化才会有实质性的意义。

2.5减轻高层房屋建筑自重

高层建筑减轻自重比多层建筑意义更大。我们从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重可直接减少混凝土用量，同时减小垂直荷载和水平地震力，进一步减小结构内力，改善经济指标，特别是基础和转换层的混凝土和钢材用量。

3.结束语

建筑结构的优化设计不仅是评判建筑设计作品优劣的重要尺度，也是能否促进国民经济的合理发展的关键关节。有些工程设计人员对结构经济性问题不够重视，这可能导致同一工程由不同设计人员设计，却出现土建造价上有巨大差别。设计人员应当加强基础理论和提高设计水平，才能真正做到结构体系的合理，体现其经济效益。

参考文献：

[1]杨吉兰.多层规则建筑结构经济轴压比探讨[J].山西建筑

[2]马宏旺，吕西林，陈晓宝.建筑结构地震直接经济损失估计方法[J].土木工程学报