工民建高层建筑结构选型因素分析

侯义军

（旭辉集团股份有限公司，上海 200062）

目前高层建筑的主要用途大体可分为：住宅、旅馆、公寓、各种用途的公共建筑。由于它们各自具有不同的建筑功能要求，对建筑物内部的平面布局及空间分隔不同，从而对结构体系的选型提出了不同的要求，往往某种功能的建筑物可能只有某几种结构型式和它相匹配例如高层住宅，由于其使用空间较小、分隔墙体较多 且各层的平面布置基本相同。因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构，因为这两种结构体系能够将结构上发挥承重和抗侧力作用的剪力墙与建筑使用功能上发挥分隔作用的纵横墙统一起来很好地适应高层住宅使用功能上的特点当建筑物功能较为复杂时，各组成部分将选用不同的结构体系，这时除了应考虑各组成部分各自适用的结构体系以外，选型中还要考虑两种体系组合的效果是否最佳因为当建筑物包括不止一个主要结构时，它们之间必然存在一定的横向联系，分别对每一结构优化所拼凑而成的整个建筑结构不一定最优，故结构选型应从整个工程系统，即主要结构的集合出发进行全局优化决策根据工程的具体情况和条件正确解决结构体系的选型问题。

1 工民建筑物的基本要求

1.1 美观功能要求

结构是构成建筑艺术形象的重要因素，通常人们比较强调结构型式适应建筑造型上的美观性要求，而易于忽视另一方面，即结构本身的美学效应。结构自身也富有美学表现力，为了达到安全与坚固的目的，各种结构体系都是由构件按一定的规律组成的，这种规律性的东西本身就具有装饰效果，结构选型的参与者、建筑师们必须注意发挥这种表现力和利用这种装饰结果自然地显示结构，把结构型式与建筑的空间艺术形象融合起来，使两者成为统一体。

1.2 结构受力合理性

因为各种结构体系有各自的受力特征，比如在抗风能力、抗震能力整体刚度等各方面各不相同，而选型必须保证结构体系的受力合理，所以要根据力学上的要求认真比较各种结构体系优缺点，挑选出能入围的几个结构体系，然后再结合其它影响因素作分析，做筛选结构受力合理性包括结构能有效抗风、可靠抗震、传力途径明确、应力分布合理、破坏机制合理等等。它受环境条件诸如基本风压、设防烈度等影响，而基本风压、设防烈度又因场地条件不同而不同。

1.3 综合考虑不同结构方案对建筑物造价的影响

某些结构材料单价较高但可能给建筑物整体造价带来好处，结构材料对选型的影响下文将展开论述。例如天津市三多里高层住宅地面以上15层局部16层，层高2.7m建筑总高度44.2m为板-柱框架剪力墙体系，采用陶粒混凝土。预制大楼板内外填充墙分别采用100mm及200mm厚的加气混凝土彻块，每层平均重量仅为8.31kN/平方米而一般框架-剪力墙体系的高层住宅每层平均重量约为12~13kN/平方米，因此该高层建筑采用天然地基箱形基础，而同期建造的另一幢15层高层住宅，为内浇外挂剪力墙体系，采用柱箱复合基础15层高层住宅采用天然地基，在天津市是仅有的一幢，是一个成功的工程实践又如在一定跨度条件下密肋楼板与梁板结构的比较，采用密肋楼板由于单位面积用钢量较高以及模壳费用较高每平方米建筑面积的造价可能高于普通梁板结构，但由于采用密肋楼板后使结构高度降低因此可降低建筑物层高而带来的综合经济效益可能更大。

1.4 结构全寿命期费用

在进行结构方案的经济分析时，通常考虑的是一次性投资费用，这是不够全面的。一幢建筑物在其整个使用寿命期内，一般为50年，还会发生其它费用，如结构的一般维护、维修费用、灾后的重建费用等等，而这些费用的数额往往也是不容忽视的。在进行结构选型决策时也应予以考虑。例如对于一幢高层建筑如果结构方案采用钢结构，则由于钢材易于锈蚀在整个建筑物投入使用后，必须对钢结构构件进行定期的防锈蚀处理和维护，从建筑的整个使用寿命期来看这一笔维护费用的数额是巨大的但如果结构方案采用钢筋混凝土结构则基本上不需要对结构构件进行维护。从建筑的整个使用寿命期来看，就基本上不存在发生于结构构件的维护费用，当对类似的高层建筑进行结构方案的选择时就要综合考虑权衡各方面利弊从结构的全寿命期来进行综合经济分析才能得出令人满意的决策结论。

2 施工水平对高层建筑结构选型的影响建筑施工的生产技术水平及生产手段对建筑结构型式有很大影响。正是大型起重机械及各种建筑机械例如混凝土泵，相继问世才使高层建筑的各种结构型式成为现实，施工水平对建筑结构型式的影响表现在以下三个方面：

2.1 先进施工技术是实现先进结构型式的前提

2.2 建筑结构方案要密切与施工条件相结合

一方面，施工技术条件不具备或选用的结构方案不适应现有施工技术能力，将给工程建设带来困难。例如选择装配式框架结构方案时需要认真考虑施工单位焊工技术力量，否则将给工程质量带来严重影响。如果决策人员在结构选型时考虑不周也将会给施工单位带来不必要的困难。因此选型时有关设计人员应多与施工单位人员沟通，共同磋商解决选型中出现的矛盾。

另一方面，选择结构型式时要结合施工工艺因素考虑工程的具体施工条件，同一种结构型式可以对应不同的施工工艺，而不同的施工工艺不仅影响材料消耗，劳动力工期、施工工期的影响已经在经济因素中分析及造价等技术经济指标，而且会影响到结构的受力状态、抗震性能、计算分析及构造措施。所以，在高层建筑结构选型中应对施工工艺连同其它因素加以全面综合权衡考虑。

3 建筑结构材料对高层建筑结构选型的影响

随着科学技术的发展，新的结构材料如高强砼、轻骨料砼、复合材料中的钢管砼、钢纤维砼等等不断诞生，新的结构材料促使传统结构型式发生变革，新的结构型式产生，从而不可避免地给结构选型问题带来深刻影响。众所周知在传统的建筑材料中，钢材符合轻质又高强的条件，在国外高层建筑中很多采用钢结构体系，鉴于我国国情和条件，绝大部分高层建筑都采用钢筋砼结构体系，且一般都采用普通钢筋砼、混凝土及钢材的强度等级不高，建筑物的自重一般平均在12~17kN/平方米。据统计，在我国已建成的高层建筑中，自重小于12kN/平方米的只占22%而大于14kN/平方米的占46%，总的来说，自重偏大给设计、施工、材料运输、结构抗震性能及结构技术经济指标带来较多不利影响。因此在考虑了材料的供应状况的前提条件下，优先选用能减轻建筑物自重的结构材料是很有必要的。

减轻建筑物自重给整个高层建筑带来的效益有：

3.1 有利于减小结构截面节约建筑材料尤其对于高层建筑下部楼层的柱子影响更大

3.2 有利于减小基础投资据统计在软土地基地区基础的造价约占土建总投资的25%左右在上海市约占20%~30%有的甚至达到35%。

例如：天津市桩箱型基础约占28%随着目前地下室越来越深这个比例有加大的趋势所以减轻高层建筑自重对减少软土地基地区高层建筑基础投资有重大意义。

综上所述，在实际工作中，结构设计人员往往由于未能深入了解结构选型的各个影响因素及其相互关系，从而造成结构选型决策的种种失误影响结构选型决策的因素主要体现在建筑物的功能要求，结构受力合理性经济因素的制约等多个方面，所有的这些确定性的和非确定性的因素都或多或少对结构选型产生影响，在某些情况，不为人们重视甚至被忽略的一些因素往往起着决定性的作用。因此，在结构选型决策工作中应该综合考虑各种决策影响因素的作用特点和对决策结果的影响度，并将它们综合协调统一起来，这就涉及到高层建筑选型决策方法的合理选择问题。

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