某光伏项目综合办公楼结构选型的经济性分析

刘 婷 张家维

（1.中铁建安工程设计院有限公司，陕西 西安 710061；2.西安航天城城市建设发展有限公司，陕西 西安 710061）

1 工程概况

本项目为西安某光伏农业科技大棚综合办公楼，占地面积779.64m2，建筑面积1500m2，建筑总高度6.9m，首层层高3.6m 为办公区，二层层高3.3m 为员工宿舍，建筑平面图见图1。

图1 综合办公楼一、二层平面图

2 自然条件及结构选型

本工程抗震设防烈度为8度（设计基本地震加速度值为0.20g），抗震设防类别为丙类，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.4s。基本风压为0.35kN/m2，基本雪压为0.35kN/m2，地面粗糙度为B 类。建筑物设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，场地类别为Ⅱ类，地基基础设计等级为丙级。依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）的要求分别采用砌体结构、钢筋混凝土框架结构及钢框架结构进行计算及经济性分析。

3 相关理论依据

3.1 砌体结构抗震计算公式

3.1.1 普通砖、多孔砖砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值，应按下式确定：

式中fvE-砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值；

fv-非抗震设计的砌体抗剪强度设计值；

ζN-砖砌体抗震抗剪强度的正应力影响系数。

3.1.2 普通砖、多孔砖墙体的截面抗震受剪承载力，应按下列公式验算：

式中V-考虑地震作用组合的墙体剪力设计值；

fvE-砖砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值；

A-墙体横截面面积；

γRE-承载力抗震调整系数。

3.2 混凝土结构抗震计算公式

3.2.1 考虑地震组合的框架梁端剪力设计值Vb应按下列规定计算：

a.一级抗震等级的框架结构和9 度设防烈度的一级抗震等级框架：

b.其他情况：一级抗震等级：

二级抗震等级：

三级抗震等级：

VGb-考虑地震组合时的重力荷载代表值产生的剪力设计值，可按简支梁计算确定；

ln-梁的净跨。

3.2.2 框架柱、框支柱的剪力设计值Vc应按下列公式计算：

a.一级抗震等级的框架结构和9 度设防烈度的一级抗震等级框架：

b.框架结构：

二级抗震等级：

三级抗震等级：

Hn-柱的净高。

3.3 钢框架结构抗震计算公式

3.3.1 钢结构构件的承载力应按下列公式验算：

式中SE2-构件设防地震内力性能组合值；

SGE-构件重力荷载代表值产生的效应；

Ωi-i层构件性能系数；

SEhk2、SEvk2-分别为按弹性或等效弹性计算的构件水平设防地震作用标准值效应、8度且高度大于50m时按弹性或等效弹性计算的构件竖向设防地震作用标准值效应；

Rk-按屈服强度计算的构件实际截面承载力标准值。

3.3.2 框架梁的抗震承载力验算应符合下列规定：

框架结构中框架梁进行受剪计算时，剪力应按下式计算：

式中VGb-梁在重力荷载代表值作用下截面的剪力值；

WEb,A、WEb,B-梁端截面A和B处的构件截面模量；

fy-钢材屈服强度；

ln-梁的净跨。

3.3.3 框架柱的抗震承载力验算应符合下列规定：

柱端截面的强度应符合下列规定：

（1）等截面梁

柱截面板件宽厚比等级为S1、S2时：

柱截面板件宽厚比等级为S3、S4时：

（2）端部翼缘为变截面的梁

柱截面板件宽厚比等级为S1、S2时：

柱截面板件宽厚比等级为S3、S4时：

式中WEc、WEb-分别为交汇于节点的柱和梁的截面模量；

WEb1-梁塑性铰截面的截面模量;

fyc、fyb-分别是柱和梁的钢材屈服强度；

Np-设防地震内力性能组合的柱轴力；

Ac-框架柱的截面面积；

Vpb-产生塑性按时塑性铰截面的剪力；

s-塑性钱截面至柱侧面的距离；

ηy-钢材超强系数。

4 结构计算及造价分析

依据建筑图纸，按照国家现行建筑、结构设计规范及该项目岩土工程地质勘查报告，设计条件中保持房屋的占地面积、建筑面积相同，建筑物的总高度和层高相同，门窗洞口开设位置和大小相同，场地类别和地质条件相同［1］。利用PKPM软件分别采用砌体结构、混凝土框架结构以及钢框架结构进行建模计算，输入相关设计参数并根据计算结果分别统计各个结构构件的工程量，然后套用《陕西省建筑装饰工程价目表（2009）》及配套的费用定额，材料价格依照工程所在地市场价格确定，分别给出不同结构类型的工程造价。

4.1 结构计算

结构计算各个房间的荷载取值[2]如表1所示。

表1 综合办公楼房间活荷载取值

不同结构类型选材如下：①砌体结构：采用MU10承重多孔砖，楼、屋面采用现浇钢筋混凝土板，基础采用墙下条形基础。混凝土强度等级C30、钢筋等级HRB400;②钢筋混凝土框架结构：框架柱、梁、楼板均采用现浇钢筋混凝土结构，基础采用独立基础，墙下采用条形基础。混凝土强度等级C30、钢筋等级HRB400、填充墙墙体采用蒸压加气混凝土砌块（容重5.5kN/m3）;③钢框架结构：钢柱、钢梁均采用Q355 钢材，楼、屋板采用非组合楼承板，基础采用独立基础，墙下采用条形基础。混凝土强度等级C30、钢筋等级HRB400、填充墙墙体采用蒸压加气混凝土砌块（容重5.5kN/m3）。

4.2 结构量统计

不同结构类型通过PKPM 计算所得的结构构件数量统计分别如表2 砌体结构，表3 钢筋混凝土框架结构，表4钢框架结构所示。

表2 综合办公楼（结构部分）砌体量统计

表3 综合办公楼（结构部分）混凝土量统计

表4 综合办公楼（结构部分）钢框架量统计

4.3 造价分析

本文仅分析主体结构采用砌体、钢筋混凝土框架、钢框架结构的地基处理、基础及上部结构(含外墙及内部隔墙)各部分的造价，钢结构含防火涂料造价，不包含建筑门、窗、墙面、楼、屋面的装修做法造价，不含水、暖、电等公用专业造价。三种结构类型各部分造价如表5所示。

表5 三种结构分部造价

5 不同结构方案的综合特性分析

上述造价分析结果显示，综合办公楼采用砌体结构的经济性最好，采用钢筋混凝土框架结构的经济性较好，比砌体结构造价高出17.22%。采用钢框架结构经济性较差，比砌体结构造价高出59.14%。三种结构类型的综合特性分析如表6所示。

表6 三种结构优缺点分析

6 结语

本文对西安某光伏农业科技大棚综合办公楼不同结构选型进行经济性对比分析，综合得出砌体结构的经济性是最好的，其次是混凝土框架结构，最后是钢框架结构。但又因钢结构绝大部分构件可在工厂标准化生产、加工，施工耗材少，现场安装施工作业面多，安装速度快，因此施工速度比钢筋混凝土结构约快1.5 倍。而且钢结构不用考虑混凝土养护时间，主体钢结构安装可以与装修工程同步进行，节省了装修工期，整体缩短了建设周期。不仅如此，一旦将来需要房屋改造，拆卸下来的构件还可再利用，不会产生永久性的建筑垃圾，符合可持续发展的战略要求，并契合目前绿色、低碳的建筑发展理念［4-5］。而砌体结构虽然经济效益好一些，但是空间布局受限，并且建设周期较长，抗震性能差且不利于改造，尤其是不符合我国工程建设节地、节能、环保等可持续发展政策，在大中城市已逐步禁止使用［6］。因此，综合考虑在经济条件允许的情况下，常规多层建筑采用钢框架或者混凝土框架结构。