高烈度地区住宅不同结构选型综合效益对比

王云鹤，李 昊

(1.云南能投基础设施投资开发建设有限公司，云南 昆明 650000；2.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

目前昆明建筑市场上的高层及超高层建筑，尤其是住宅，大多采用混凝土剪力墙结构，采用钢结构的比例非常小。其原因主要是受限于成本和经济效益，该文结合昆明地区的自然条件、经济状况等因素，由案例出发，探究在昆明地区高层及超高层钢结构住宅的经济效益，对昆明地区高层及超高层住宅的结构选型提供参考。

1 案例概况

项目位于云南省昆明市，规划总建筑面积91 808.521 m2。项目地下3层，裙楼为4层商业，住宅为2栋塔楼，其中北侧100 m高层住宅，共31层，南侧为147 m超高层住宅，共42层。

2 住宅结构方案综合效益对比分析

2.1 结构方案选择的考虑因素

1)区域情况

昆明市区平均海拔1 891 m，属于低纬度亚热带-高原山地季风气候，日照长，霜期短，温度常年在0℃～29℃之间。但由于昆明的高海拔低纬度特点，紫外线强度高，日照强烈，昼夜温差大，单日昼夜温差大，冬季达12℃～20℃，夏季达4℃～10℃，在全国范围内都属于单日昼夜温差较大地区。同时昆明干湿季分明，夏季多雨其余几季均干燥少雨，尤其冬季异常干燥。由于昼夜温差大、紫外线强、干湿分明等特点，昆明市的建筑对材料的选择要更加谨慎，在温差大，干湿分明等条件下对结构的耐久性要求更高，在结构方案选择上需要充分考虑这一特点。

2)设防烈度

昆明地处小江断裂带以及普渡河断裂带，属于较敏感的地震活动地带。市区抗震设防烈度为8度，地震分组第2组，抗震形势严峻，所以建设项目结构选型应结合设防等级进行确定。但设防烈度等级越高，意味着同等条件下建筑造价越高。

3)场地情况

场地类型越复杂，地基条件越差，对于处理地基的投入就越多，结构设计就越复杂，相对应的造价也就越高。

4)平面布置

高层及超高层建筑，在无特殊造型要求的情况下，应力求做到平面形状简单、布置规则，使结构的刚度和承载力能够均匀的分布。并且对住宅而言，规则的平面形状更容易布置房间，使房屋可利用的有效面积增加，有利于家具摆放，有利于设计出合理的户型，同等条件下可以提高售价，使经济效益更加突出。

5)施工水平

高层及超高层建筑对施工质量和安全的要求比普通多层建筑要高得多，因此，在结构方案的选择上，还需考虑潜在承包人的施工技术、管理能力，甚至是主要材料供应商的能力。目前我国传统混凝土建筑施工技术已非常成熟，有很多有经验的承包商可以高质量的完成施工，且造价非常透明，有利于业主的控制。而我国的钢结构起步晚，后期才逐渐运用到高层及超高层建筑。目前国内已经拥有钢结构施工的顶尖技术，但不可否认的是整个钢结构施工行业平均水平较低，各家施工单位技术水平参差不齐，所以结构方案的选择还需要考虑施工方面有可能存在的潜在风险。而对于一般的企业特别是民营企业而言，在低价中标的定标原则下是否能够招到实力足够的承包商也是在结构方案选择中不得不考虑的因素。

6)材料特性及材料供应、材料质量

传统的钢筋混凝土材料生产工艺及供应链都相对完善，并且随着多种新型外加剂的研发，在特种混凝土领域也逐渐成熟。加上商品混凝土的普及和强制使用，使混凝土材料的质量得以保证，供应来源上也有诸多的选择。

钢结构建筑所需的结构用钢各方面性能都有较高的要求，所以对于钢铁生产企业也有一定的要求。从近年的情况来看，我国建筑钢结构用钢产能过低，目前能够生产合格钢结构用钢的企业主要集中在一些大中型的钢铁企业，中小型的钢铁企业在技术或者生产效率上不能满足要求，或者由于企业规模和技术储备等原因部分中小企业虽然能够生产钢结构用钢，但是成本相对过于高昂，经济效益不明显，导致整个行业内钢结构用钢的生产比例较低，对构件的加工精度也参差不齐。而对于高层及超高层的钢结构建筑而言，不仅要求材料性能优越，对于构件加工精度要求也非常严格，允许的误差需要限制在很小的范围之内，否则由于高度的增加，误差会有一个累积的效果，严重影响后期安装，导致项目整体质量受到影响。

7)造价水平

不同的结构方案会匹配不同的造价水平，而造价的高低往往成为了在有限投资情况下左右投资者决策的一大因素。前沿结构方案有可能可以作为一个好的卖点给项目整体带来溢价，但是项目是否溢价、溢价多少、溢价成本都需要有一个系统且全面的核算。而对于大多数企业来说，造价水平的高低往往会成为一个项目方案选择的重要参考因素，在结构方案的选择上需要根据投资主体的具体情况分析不同方案造价上的差异，在经济可行、造价可接受的基础上来选择最适合的结构方案。

8)管理水平

对于传统的结构方案，参建各方经验丰富，参照案例多，对风险的识别和应对有一套完整的体系，对于建设周期中的重要节点和关键步骤都清晰明了，因此在管理上是比较成熟的，这对于项目推进是一个重要支撑。相对而言，前沿的结构方案因为工程经验较少，参照案例有限，因此对于参建各方的管理团队来说也是一个挑战，尤其对于没有类似项目建设经验的甲方来说更是增加了不确定性的风险。同一个项目，如果管理上能够做到精细有效，不仅可以提高项目成功的比率，在同等建设条件下还可以缩短工期，节约投资，提高质量。因此，在结构方案的选择上，甲方需要从自身的条件出发，判断自身以及潜在参建各方在管理上是否能够达到所选方案的要求，在有限条件下使管理水平和所选方案相匹配，达到最优的效果。

2.2 项目结构方案的选择

可供选择的结构方案，初步选取以下几种类型：混凝土纯剪力墙结构、钢框架支撑结构及型钢混凝土剪力墙混合结构。因型钢混凝土剪力墙结构造价居于另外2个方案之间，该文选取更有代表性的混凝土纯剪力墙结构及钢框架支撑结构进行测算分析。

1)混凝土纯剪力墙结构

抗震规范中规定8度设防地区结构高度不应超过100 m，当结构高度超过100 m，需要采取加强措施且经过专审，这样将增加结构配筋率，同时使结构构件断面尺寸变大，有效使用面积减少。因此，结构高度超过100 m使用纯剪力墙结构则建安成本势必增加；其次，纯剪力墙结构塔楼部分剪力墙较多，分布不均匀，布置较为密集，塔楼下部商业部分平面布置将会受到影响，减少可销售面积，地下车库也会因为剪力墙的存在而减少车位数量，最终影响总的销售收入。但是纯剪力墙结构施工工艺成熟，对施工企业以及项目甲方来说有多年的施工管理经验，能够最大限度的保证施工质量，在造价上，传统结构形式的成本也比较透明。

2)钢框架支撑结构

抗震规范中规定在8度设防地区除钢框架结构外，钢结构其余类型的建造高度均可以超过150 m。对案例项目而言，在高度限制上可以完全满足，同样高度的情况下与混凝土剪力墙结构相比结构断面较小，对底层商业及地下室车位布置影响较小；但是钢结构防火防锈、隔音隔热是薄弱环节，在不使用幕墙体系的情况下，外墙钢骨架与砌体之间会因为不同材料热膨胀系数不同而容易形成开裂及变形，在遭受地震作用时，容易发生较大的位移。同时与混凝土结构相比，由于钢结构对材料性能及构件加工精度要求较高，对施工队伍作业及管理水平要求高，同时，结构含钢量大，人工及安装成本较高，导致建安成本升高，增加前期投入，增大管理难度，不利于投资控制。

2.3成本分析

土建建安成本费用，见表1-4；2种结构土建部分直接成本对比，见表5。

表3 100 m高钢框架支撑结构成本测算表

表4 100 m高混凝土纯剪力墙结构

仅从建安成本上来看，钢结构成本明显要高于混凝土剪力墙结构。如果只对比直接成本，大部分投资者还是会选择混凝土结构，造价的差别是制约钢结构发展的原因之一。但是，作为投资者来说，科学地判断项目的投资及收益，不应仅看直接成本，而应该全面客观地分析项目的经济效益，全面分析工期、质量、投资、社会影响、环境效益等各方面，只计算直接建安成本，会忽略可观的间接效益，不利于项目甚至投资者长远的发展。

表5 2种结构土建建安成本对比表

2.4经济效益分析

2.4.1 钢框架支撑结构

1)经济效益

(1)房间净面积增加。理论上钢结构可以减小结构构件断面尺寸，增加房屋使用面积，使户内有效净面积增加，在相同建筑面积下获得更多的使用面积，对于销售而言，就意味着得房率高，可以作为吸引购房者的一个优势，提高销售单价，增加营业收入及利润。

(2)车位数量增加。结构构件断面面积减小，柱网整齐，与纯剪结构相比剪力墙减少，可增加车位数量，由此增加销售金额；以该项目为例，钢结构地下室每层可增加车位23个，项目周边区域车位价格在20～30 万元/个，按每个车位售价25 万元计算，两层地下室可增加销售收入1 150 万元。

(3)商业品质提升。钢结构方案柱距比混凝土结构大，剪力墙较少，构件断面尺寸较小，塔楼下部的裙楼商业可划分较大开间，商业布局规整，品质得以提高，可售面积增加，1～4层商业每层可增加销售面积61.46 m2，按照商业部分定价2.3～3 万/m2，则商业部分可增加的销售金额，见表6。

表6 钢框架支撑结构商业部分销售增加测算一览表

(4)层数不变增加层高，层高减小增加层数。由于钢结构梁截面尺寸小于混凝土梁，且消防、通风及其他设备管道可从梁断面中心开孔穿过，相对混凝土结构每层可增加层高100～300 mm，总建筑面积不变可使楼层层高增加，提升住宅品质，而在梁下净高不变的情况下则可以减小层高，在同样总高限制范围内增加层数，增加可售面积。

(5)地下室总高度减少，节约部分基坑开挖及支护费用。与第(4)项原因相同，在地下室层数不变的情况下每层层高可以略微降低；甚至在达到规范要求最低车位配比数量的情况下减少地下室层数，减小基坑开挖深度，降低基坑支护的费用。

(6)自重较轻。由于钢结构自重较轻，因此基础荷载减小，资料显示，在建筑面积相同的情况下，钢结构建筑的自重比混凝土结构的建筑轻6%～30%。因为上部结构重量降低，建筑物基础不论从尺寸还是配筋率上都可以有所减小，根据前期调研以及参考相关资料可以看出，钢结构的基础可以降低造价10%～30%。

(7)理论工期缩短，融资成本降低。钢结构施工为流水作业，工厂预制，现场安装，缩短施工工期，减少融资成本。根据资料可以看出，钢结构建筑主体工程建设周期比混凝土建筑快30%左右。若按照案例项目纯剪力墙结构投资额来计算，该项目按照80%的负债率计算融资财务费用，2014年中国人民银行同期贷款基准利率为4.35%，但近年来地产行业受政策影响，银行渠道贷款较为困难，融资成本一般都高于银行基准利率，保守按照8%的利率计算融资成本，1.6 亿元的建设期贷款，按照工期24个月计算，纯剪结构建设期贷款为1 305.6 万元。钢结构土建部分投资增加3 700 万元，假设在其他条件不变的情况下，钢结构施工工期缩短20%计算，建设期贷款利息为1 237.708 8万元，融资成本可节约67.89万元。

(8)抗震优势。钢结构由于具有较高的强度，较轻的自重以及良好的韧性等优点，因此钢结构建筑最大的优势就在于抗震性能优越。由于昆明地处地震带，因此钢结构的住宅在抗震方面有巨大的优势，可作为项目卖点，增加销售收入。前期策划经过测算，使用钢结构，则售价可以在目前基础上提高8%～10%，2016年案例项目混凝土纯剪结构均价约为1.6 万元/m2，按照住房可销售面积计算，若钢结构建筑每平米售价提高5%，则售价可达到1.68 万元/m2，目前住宅可销售面积约为18 000 m2，可销售收入可增加1 440 万元。

2)钢结构隐性成本增加

(1)后期维护费用较高。昆明气候特殊，昼夜温差较大，钢结构住宅因为钢材的热膨胀系数与墙体(砌块墙体)热膨胀系数相差较大，目前昆明市的钢结构住宅普遍存在墙体开裂较为严重的问题。以“××春色”为例，2009年建成后先后进行了多次墙体开裂修补，最终在墙体内部填充柔性材料后才解决开裂问题，给业主及开发商都造成巨大的困扰及较大的费用支出；墙体开裂影响用户使用及房屋整体外观，更关键的问题在于漏水及渗水严重。外包墙体一旦开裂，导致雨水渗入，容易引起钢构件锈蚀，给结构带来安全隐患。实践中昆明钢铁股份有限公司曾经尝试使用成品拼装硅钙墙板作为墙体，此种墙板出厂价格较高，约为150～170 元/m2，且高层拼装人工费较高，安装后在接缝处形变与其他大面积墙体形变不同，易造成墙体平整度较差等问题。综合来说，在设计阶段就要充分考虑今后墙体开裂问题，也必然要增加相应的措施，若设计阶段没有考虑此问题，则必然会导致后期修理费用增加甚至造成巨额赔偿。所以在昆明这种干湿分明的地区大量推广和使用钢结构建筑，尤其是钢结构住宅，在墙体材料的研发上还有很长的道路要走。

(2)结构外包费用增加。钢结构结构断面虽然较小，理论上可以增加房间的使用净面积，但钢结构主要构件如柱、梁等必须要进行外包才能够达到使用要求，同时外包才能满足业主装修及后续使用，所以必然要增加一部分费用，如果直接用砌块进行外包，费用较为节省，但是砌块体积较大，占用面积也较大，则不能体现出钢结构增加使用面积的优点；若使用其他轻型材料进行外包，可以减少占用面积，但需要考虑轻型材料的防水性能、保温隔热以及隔音等问题。增加了外包材料也势必会导致费用增加。

(3)工期成本分析。钢结构流水化施工理论上可以缩短整个施工工期，起到提早交房作用；但是实际情况在于目前的钢结构加工厂构件加工速度无法保证满足现场施工的需求，实际施工速度无法达到理论速度。且与混凝土剪力墙施工作业相比，一部分预埋管道等工作无法与混凝土施工同期进行、钢构件外露部分包裹工作也必须要滞后进行，必然导致施工工期无法完全达到理论工期；再者，钢结构施工如果不使用钢结构专用楼板镀锌模板浇筑混凝土结构板，施工工期仍然受到现场支模、浇筑楼板、养护达到拆模强度、拆模等工作时间的影响，远不能跟上钢结构构件安装的速度；若要使楼板浇筑速度配合整个钢构件安装的速度就必须使用钢结构专用镀锌钢模板，此种模板搭设后不需要拆除，为永久性构件，使用较为快捷，但镀锌钢模板价格在150 元/m2左右，远远高于使用木模板的费用；因此，要达到钢结构施工工期较短的预期，必然要增加成本的投入。

(4)施工及加工精度导致的间接成本分析。目前昆明几个有代表性的钢结构项目主要结构构件的加工及安装施工均没有采用本土钢结构企业，大部分为外省优秀企业，只有部分次要构件如次梁、连接板等会采用本土钢结构工厂加工，目前云南省内的钢结构施工企业较少，竞争机制不完善，且构件加工精度达不到较高的要求，施工中会因为结构构件精度不够而需要采取特殊措施的实施，间接导致成本增加，且施工质量不能得到保证，对于安装误差的控制还有待进一步提高。案例项目体量较小，并且由于项目本身属于普通的住宅建筑，对于施工单位来说利润总额小，很难吸引到外地大型优秀承包商参与竞争投标，因此最终很有可能是省内钢结构单位中标，导致招标过程缺乏竞争，造成成本增加。

2.4.2 混凝土纯剪力墙结构

1)混凝土纯剪力墙结构的经济效益

(1)施工质量可控。不论是施工单位、监理，还是甲方，各方对于这种结构的施工管理都有丰富的经验，对于建设过程中施工的难点、重点等都有应对的标准流程，同时，因为此种结构多年的发展，施工具有一整套完善且科学的体系，施工队伍只要按照标准流程来操作便可以保证施工的质量。对于甲方来说，项目管理人员也都具有类似工程的经验，能够保证施工质量达到预期要求。

(2)后期维护费用支出较少。由于混凝土材料的特性，其耐久性及材料的稳定性均较好，对环境变化相对来说并不敏感。一幢建筑只要在设计时符合规范，建设期按照各项规定进行施工并验收合格，建成后很少需要对主体结构进行过多维护，因此后期支出的维护费用较少，也不容易产生不必要的纠纷。

2)混凝土纯剪力墙结构成本增加

(1)构件尺寸大、结构自重大。高层及超高层采用纯剪力墙结构，需要增加加强措施，因此结构构件尺寸也会因建筑物高度的增加而增大，特别是底层构件尺寸偏大，造成底部空间得房率低。其次传统的钢筋混凝土建筑结构自重大，而高层及超高层就更加明显，因此建筑物的基础尺寸大，配筋率高，基础上的投资也会大大增加。

(2)房间开间小、布置不够灵活、底层商业开间受限、车位数量减少。因为剪力墙的存在，房间的开间尺寸相对于钢结构来说会较小，而且剪力墙是不可以拆除的构件，因此在房间平面的布置上有一定的限制；同时，由于塔楼部分剪力墙的存在，导致下部四层商业在塔楼部分不能形成开间较大的房间，影响商业的整体品质和可销售面积；最后，由于剪力墙的存在，还会导致地下车库在有剪力墙的地方不能合理布置车位，如果车位规划不合理，在限制了最低车位数量的情况下，还极有可能需要增加地下室层数，或者增加相应的机械车位数量，无论哪一种情况都讲大大的增加投资，导致成本的升高。

2种结构形式在经济效益方面都有各自的特点，而且经济效益的很多方面是现在无法量化来进行比较的，比如钢结构的环境效益、社会效益等等。两种结构间接经济效益对比表，见表7。

表7 钢框架支撑结构与混凝土纯剪力墙结构间接经济效益增减对比表

2.5成本与经济效益综合对比

正确的决策应该基于统一而全面的考虑，把成本和经济效益同时对比才能做到全面客观。成本与经济效益综合对比，见表8。

表8 综合成本与经济效益对比表

由上述对比可以看出，只计算成本，则混凝土纯剪力墙结构成本比钢结构低3 000 万元左右，节省成本约35%，差距巨大，但是如果将钢框架支撑结构间接的经济效益量化，增加的经济收入抵消了一部分由于成本而带来的高投入，则纯剪力墙结构只比钢结构节省成本约0.2%，微乎其微。这仅仅只是计算了钢结构经济效益中可以量化的那一部分，假如将钢结构建筑的环境效益及社会效益也进行量化计算，则钢结构的效益将会超过传统的混凝土建筑。

3 结 语

目前云南省内包括昆明市高层及超高层住宅采用纯钢结构的案例较少，绝大部分考虑到多方面因素特别是经济因素的制约，往往还是趋向于采用传统的混凝土剪力墙及核心筒结构。住宅采用纯钢结构需要增加成本投入，而对于项目投资者来说，如果采用纯钢结构所能够带来的效益可以基本弥补在成本方面追加的投入，能够达到投资者预期的投资收益，那么采用纯钢结构类型就是经济可行的。但就目前市场情况来看，钢结构的优势并未得到充分的体现，很多投资者只注重可见的直接成本，尤其是一些规模不大的开发商，对于项目结构方案选择的出发点还停留在比较狭隘的层面，缺乏对于项目全周期全成本的一个全方位评估，导致在结构类型的选择上存在较大的局限性。但不可否认的是钢结构住宅的发展和普及还存在一些制约因素，必须全面分提升材料生产和加工的能力、施工技术和管理水平，进一步降低钢结构成本，同时在材料防火防锈、隔音隔热等方面采取更加完善和经济的措施，钢结构住宅才能发挥其真正的内在优势。