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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-08-28浏览：26次
摘要：在建筑节能已成为社会共识的今天，在高层建筑设计中如何控制结构的经济性，降低成本，越发受到业界的普遍关注和重视。笔者结合自身实践经验，从结构形式选择、建筑物高度、剪力墙结构设计、基础结构设计、形状优化、减轻自重、合理选材等几个方面，详细阐述了在高层建筑设计中如何控制结构经济性的问题，有一定参考价值。
关键词：高层建筑；结构设计；经济性
中图分类号：TU97文献标识码：A文章编号：
建筑结构设计是工程建设计划的具体化。在高层建筑不断涌现，建筑节能已成为社会共识的今天，在高层建筑设计中如何控制结构的经济性，降低成本，越来越受到业界的普遍关注和重视。而所谓建筑结构的经济性，笔者以为，应以其综合经济效益为依据，除合理控制造价外，还应该从建筑有效使用面积、建筑布置灵活性等方面进行全面、系统的分析。下面结合笔者实践经验，谈谈个人的看法，以供同行借鉴参考。
1建筑结构设计经济性的现实意义
设计阶段是工程建设全过程中投资控制的重点。据对工程项目投资规律研究发现，越是前期，投资控制越重要；越是后期，投资控制影响作用越小。国内外研究的普遍结论是，设计阶段对项目投资影响为75%～95%，施工阶段为5%～25%。因此，建筑工程投资控制的重点在于设计阶段。另据统计，在满足同样功能的条件下技术经济、合理的结构设计，可降低工程造价5%～10%，甚至可达10%～30%。而结构造价在一般建筑物中占50%甚至更多，因此结构设计对于建筑物经济性影响甚大，强调结构设计的经济性意义深远。
2建筑结构设计经济性的目标
在建筑结构设计如何更为合理、经济方面，国内外学者已进行过很多的研究工作，但截至目前，仍然没有一个满足各种结构设计规范条件、符合设计人员习惯、尽可能接近经济合理、能够适用于高层建筑结构设计的成熟的数学模型。本人认为，建筑结构设计经济性的目标，应是在满足建筑结构长远效益的前提下，尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。在现实中，我们设计者可以此为目标来设计，让设计尽可能地接近以上要求，从而达到保证质量的前提下的结构合理、降低造价、节约投资的设计目标。
3高层建筑设计中控制结构经济性的思考
3.1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。
3.2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。
3.3重视剪力墙结构设计
剪力墙结构体系因具有整体性好、布置灵活、刚度大、侧向变形小、抗风与抗震性能好等特点在高层建筑特别是住宅建筑中被大量采用，因此，在设计中如何控制好该结构体系工程费用较高的缺点，降低高层建筑剪力墙结构的造价和材料消耗量，尤为重要。笔者建议如下：1）做好结构平面布置。首先，结构布置应注意考虑能削弱地震反应、平面刚度力求对称、竖向力求等强，合理确定其抗侧刚度中心位置，使水平合力点通过或靠近中心，避免产生扭转影响。其次，避免采用复杂结构，以免增大设计工作量，给施工造成困难，增大投资；2）合理选择剪力墙结构形式。根据建筑物高度的不同，合理选择高层建筑剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求，以降低工程造价。如，层数较少(如20层以下)的高层住宅，采用传统的现浇剪力墙结构时，各墙肢轴压比计算值往往较小，墙体配筋为构造配筋，墙体承载能力没有得到充分发挥，工程费用偏高，若适当的采用短肢剪力墙结构，则可节省工程费用5%～10%；3）尽量减小剪力墙厚度。对于剪力墙结构，剪力墙的厚度取值不仅显著影响结构的自重、结构质量大小，还直接影响到工程造价。若剪力墙厚度增加，虽然结构抗侧力的能力提高，同时结构所承受的地震力也加大，二者不一定成正比。因此，在设计中要注意合理地尽量减小剪力墙厚度；4）严格控制剪力墙配筋率。根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》，在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向和水平分布钢筋的最小配筋率均不应小于0.25%；部分框支剪力墙结构的剪力墙底部加强部位的竖向和水平分布钢筋配筋率不应小于0.3%，这在高层或者较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于低矮、短小的剪力墙，笔者建议其水平筋的配筋率应适当减小；墙的竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，同时应注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。
3.4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，笔者认为基础选型应作方案比较，才能选定经济合理的方案。而对于筏板厚度的取值，则应考虑桩冲切，角桩冲切，墙冲切及板配筋等多方面的因素。另外，筏板长度的设置也要注意，由于考虑地下室的使用合理性，常规采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝，后浇带的作用是明显的，但也给施工带来不少麻烦，甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。而有些高层，长宽均达100m以上，中间就设置几条后浇带，也没有其他措施，笔者认为是不妥当的，设计中必须注意。
3.5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。因此笔者认为，结构设计人员一定要注重概念设计，在满足美观、适用的前提下，尽可能使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。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。
3.6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。
3.7合理选用建筑材料
材料选择不同，工程直接费不同，总造价不同。设计阶段合理选择建筑材料，控制材料单价或工程量，是控制工程造价的有效途径。筑材料选用应尽量选用高强度的建筑材料，如钢材宜优先选用三级钢。HPB300、HRB335和HRB400，这三种钢材的价格比较接近，但它们的抗拉强度值是270:300:360=1:1.11:1.33，可见采用高强钢筋的性价比高。混凝土宜用C30以上标号的混凝土，因为目前的施工工艺和技术已可使混凝土达到C80，运用高强度混凝土可以减小结构截面和减轻结构自重。填充墙材料宜采用轻质墙体，如纸面石膏板、水泥纤维板、加气混凝土等，以上材料既可增加室内的使用面积，也能减轻结构自重，减小地震作用，进而减少结构主要受力构件的配筋量和混凝土用量。
总之，结构的造价在建筑工程中占比例较大，重视结构设计中的经济性理念，通过结构的优化设计实现建筑作品的最大经济价值，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合理发展的关键环节。目前在我国的工程设计领域中，部分设计人员因忙于应付大量的具体工作，往往不够重视结构经济性问题，导致同一工程不同的人设计其土建造价可能差别很大，造成不必要的浪费，这对于经济实力并不发达、尚处于第三世界发展中国家的中国而言，是一个急待解决的问题，因此，作为一名设计人员，我们必须严守“经济、适用、合理”的原则，精心设计，力求在达到建筑建设要求的基础上，尽可能地利用有限的资源获得最大的效益，实现降低工程造价取得最佳经济效果的目的。
参考文献：
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【2】董良凤.浅谈高层建筑混凝土结构的优化设计【J】.福建建筑，2010（1）：52-53，36.
【3】叶润庆.建筑工程的经济性在结构设计中的应用【J】.科技资讯，2010（8）：76-77.
【4】吕倩.初探建筑设计中的经济性理念【D】.东南大学硕士学位论文，2005.
《高层建筑设计中如何控制结构经济性的问题》
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文章名称： 高层建筑设计中如何控制结构经济性的问题
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