深圳某高层建筑结构方案比选与技术经济分析
0 引言
钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构体系是高层建筑较常选用的结构体系。钢筋混凝土结构和钢结构各具优缺点：钢筋混凝土结构整体性好，耐火性和耐久性好，造价低，施工用料取材方便，但其整体结构自重大，混凝土抗拉强度低且抗裂性差，人工消耗量大，施工工期长；钢结构强度高，自重轻，塑性韧性好，材质均匀，装配式程度高，人工消耗量小，施工工期短，但钢材易腐蚀，耐火性和耐热性差，造价高。钢-混凝土混合结构结合了两种结构体系的优点，如承载力高、抗震性能好 [1]。
依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010),(简称抗规),结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基承载力、结构材料和施工条件等因素，经技术、经济和使用条件综合比较而确定 [2]。为了确定深圳某高层建筑的结构方案选型，在设计过程中比较了钢框架-偏置筒体结构和传统钢筋混凝土框架-偏置筒体结构之间的差异，对比两种结构方案的抗震性能、材料用量、空间利用率、工程造价及施工工期。
1 工程概况
深圳某高层建筑项目位于广东省深圳市，地下室为大底盘，主塔楼地上31层，裙房地上9层，幼儿园地上3层；地下4层，建筑物总高度分别为148.8m(主塔楼)、43.0m(裙房)。主要使用功能有：剧院、展览厅、图书馆、文化中心、办公用房、设备用房、幼儿园等。结构模型图详见图1。
本工程主塔楼采用钢框架-偏置筒体结构体系，裙楼部分结构形式采用钢筋混凝土框架-偏置筒体结构体系，共有5项一般不规则超限项，且绝大多数为轻微超限，属于超限工程。本工程所在地区抗震设防烈度为7度(0.1g),场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s, 裙房、1～9层主塔楼及幼儿园抗震设防类别为乙类，抗震等级为特一级，10～31层主塔楼抗震设防类别为丙类 [3],抗震等级为一级 [4]。
图1 结构模型图
图2 方案1钢筋混凝土框架-偏置 筒体结构标准层平面布置
图3 方案2 钢框架-偏置 筒体结构标准层平面布置
2 两种结构方案空间利用率对比
主塔楼单层建筑面积为1 319m2,筒体外墙厚度分别为600,500,400mm, 最大柱距为10.5m。根据建筑布局，采用钢框架-偏置筒体结构体系、钢筋混凝土框架-偏置筒体结构体系这两种不同的结构体系分别建立模型，方案1采用钢筋混凝土框架-偏置筒体结构体系，结构标准层平面布置见图2,外框柱采用型钢混凝土柱和普通钢筋混凝土柱，型钢混凝土柱最大截面尺寸为1 500×1 500,外框梁为截面尺寸500×950的钢筋混凝土梁，内框梁为最大截面尺寸500×900的钢筋混凝土梁，楼面采用预制叠合板。方案2采用钢框架-偏置筒体结构体系，结构标准层平面布置见图3,外框柱尺寸分别为1 500×1 500(型钢混凝土柱),1 000×1 000(钢管混凝土柱),850×850(钢管混凝土柱),外框梁为最大截面尺寸H950×450×16×40的工字钢梁，内框梁为最大截面尺寸H750×450×12×35的工字钢梁，楼面采用压型钢板-钢梁组合楼面。两种结构方案的楼面梁与外框柱刚接，与核心筒铰接。柱的截面尺寸及材料等级见表1,梁截面尺寸对比详见表2。
两个方案柱截面尺寸及材料等级对比 表1
楼层 |
方案1 柱截面 尺寸/mm |
方案2 柱截面 尺寸/mm |
混凝土 强度 等级 |
钢筋 强度 等级 |
方案2 柱面积 缩小率 |
20～31 |
1 200×1 200 | 850×850 (方形钢柱) |
C45 | Q345 | 49.83% |
10～19 |
1 500×1 500 (内埋型钢) |
1 000×1 000 (方形钢管 混凝土柱) |
C50 | Q345 | 55.56% |
1～9 |
1 800×1 800 (内埋型钢) |
1 500×1 500 (内埋型钢) |
C60 | Q345 | 30.56% |
两个方案梁截面尺寸对比 表2
梁 |
方案1梁截面 尺寸/mm |
方案2梁截面 尺寸/mm |
方案2梁高 缩小/mm |
外框梁 |
500×950 | H950×450×16×40 | 0 |
内框梁 |
500×900 | H750×400×12×35 | 150 |
主要次梁 |
450×900 | H750×250×12×25 | 150 |
注：梁的混凝土和钢筋强度等级与柱相同。
由此可见，方案2较方案1框架柱截面面积平均减少45.31%,内框梁梁高缩小15cm, 提高了空间利用率。
3 两种结构方案抗震性能指标对比
依据抗规，对两个方案的结构进行多遇地震和50年一遇风荷载作用下的弹性分析 [5],并对结构的整体刚性指标进行统计，如表3所示。
将两个方案X向受剪承载力比进行对比，对比结果详见图4,由图可知：1)两个方案主塔楼层受剪承载力比都大于0.8,依据抗规要求，竖向比较规则；2)虽然20层与21层平面布置及梁柱截面没有发生变化，但是方案1楼层受剪承载力比为2.34(20层与21层的比值，余同),方案2楼层受剪承载力比为1.0,相对来说方案2的标准层楼层受剪承载力比更均匀，没有发生突变，平稳过渡。
两个方案整体刚性指标对比 表3
方案 |
方案1 | 方案2 | |
结构总质量/t |
221 423.594 | 211 673.516 | |
结构自振周期 /s(振型) |
T1 |
3.89 847(X向平动) | 4.1 031(X向平动) |
T2 |
3.1 706(Y向平动) | 3.4 117(Y向平动) | |
T3 |
1.8 024(扭转) | 1.9 489(扭转) | |
T3/T1 |
0.46 | 0.47 | |
有效质量系数 |
X向 |
90.09% | 90.19% |
Y向 |
91.52% | 92.43% | |
基底剪力/kN |
X向 |
8 788.21 | 7 718.75 |
Y向 |
8 559.48 | 7 587.6 | |
剪重比 |
X向 |
1.691% | 1.772% |
Y向 |
1.647% | 1.742% | |
楼层受剪承载力 与相邻上一层的 比值最小值 (所在楼层) |
X向 |
0.82(12层) | 0.82(12层) |
Y向 |
0.80(12层) | 0.81(12层) | |
倾覆力矩 /(×107kN·m) |
X向 Y向 |
1.67 |
1.52 |
1.88 |
1.65 | ||
风荷载作用下 最大层间位移角 (所在楼层) |
X向 |
1/696(24层) | 1/657(24层) |
Y向 |
1/1 725(21层) | 1/1 707(21层) | |
地震作用下 最大层间位移角 (所在楼层) |
X向 |
1/751(27层) | 1/822(31层) |
Y向 |
1/899(21层) | 1/1 101(22层) | |
给定水平力下考虑 偶然偏心最大位 移比(所在楼层) |
X向 |
1.33(5层) | 1.39(5层) |
Y向 |
1.33(5层) | 1.38(5层) | |
地震作用下柱底 最大轴力/kN |
47 283.8 | 39 145 | |
图4 两个方案楼层受剪承载力比
依据《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92-2013) [6](简称广东省高规),本项目水平位移角限值为1/650,根据表3统计结果，两种结构方案都能满足抗规和广东省高规的刚性指标要求，达到小震作用下“结构处于弹性状态，构件无损坏”的抗震性能目标 [7]。方案1的上部结构自重比方案2的结构自重比多4.6%,方案1的柱底最大轴力比方案2的柱底最大轴力大20.8%,方案1在地震作用下X向最大层间位移角比方案2大9.5%,Y向最大层间位移角比方案2大22.47%。由此可见，方案2的上部结构自重更轻，钢框架-偏置筒体结构利用钢材的柔韧性可吸收和消耗更多的地震能量，抗震性能更优 [8]。两个结构方案的各项指标都满足规范要求，主要参数也都在合理范围内，两个方案在结构上都具有可行性 [9]。
4 两种结构方案工程造价及结构施工工期对比
本文对两种方案的材料用量、工程的结构造价进行统计，并根据本工程施工单位以往的项目经验统计结构施工工期，再进行比对，分析采用不同的结构体系对工程的结构造价和结构施工工期的影响，对比结果如表4所示。除此之外，方案1的施工特点为塔楼标准层部分采用预制混凝土叠合板，现浇叠合层，结构构件吊装重量大。低区转换部位梁、柱、支撑内需埋置型钢，节点施工复杂。方案2的施工特点为预制钢结构现场采用螺栓拼接，施工效率相对较高。方案2施工效率更高。
两个方案工程造价及结构施工工期对比 表4
方案 |
方案1 | 方案2 | 比对 |
主塔楼总钢筋用量/t |
2 544.96 | 946.66 | 方案2比方案1少 1 598.3t |
主塔楼型钢用量/t |
365.61 | 3 739.56 | 方案2比方案1多 3 373.95t |
主塔楼混凝土 总用量/m3 |
14 619.88 | 7 117.44 | 方案2比方案1少 7 502.44m3 |
单位面积结构造 价/(元/m2 ) |
1 658.67 | 2 674.53 | 方案2比方案1高 1 015.86元/m2 |
主塔楼单层造价 /万元 |
218.78 | 352.77 | 方案2比方案1高 133.99万元 |
标准层平均工期/d |
9 | 6 | 方案2比方案1 标准层平均缩短3d |
塔楼标准层 施工工期对比 (主塔楼共22层)/d |
198 | 132 | 方案2比方案1总 计能有效缩短66d |
由此可见，在本工程主塔楼单位面积结构造价方面，方案2比方案1高1 015.86元/m2,方案1较方案2工程造价更低。与混凝土结构相比，塔楼结构采用钢框架-偏置筒体结构体系可以有效缩短施工工期，本工程主塔楼标准层采用方案2可以有效节省施工工期66d, 装配式施工可以有效降低施工难度，提高施工效率 [10]。
5 结论
(1)两个结构方案的各项指标都满足规范要求，主要参数也都在合理范围内，两个方案在结构上都具有可行性，可落地性。
(2)基于本工程，钢框架-偏置筒体结构比钢筋混凝土框架-偏置筒体结构框架柱截面面积平均减少45.31%,每层净空多150mm。可见钢框架-偏置筒体结构可以较好地实现标准层净高与面积实用率。
(3)钢框架-偏置筒体结构上部结构自重轻，可以节约基础费用。利用钢材韧性强的优点，可吸收和消耗更多的地震能量，实现更安全的结构抗震设计。
(4)钢框架-偏置筒体结构用钢量比钢筋混凝土框架-偏置筒体结构用钢量高，工程造价成本更高。通过本工程的造价分析，比混凝土方案单方造价高1 015.86元/m2。
(5)钢框架-偏置筒体结构采用装配式施工，可以提高施工效率，本文对本工程的分析中，标准层节省施工工期约66d。
(6)如果工期不紧张，对造价要求很严格，可选用方案1;如果工期紧张，对造价要求不高的情况下，可选用方案2。
[2] 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.
[3] 建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[4] 深圳市安托山片区超限高层建筑工程项目抗震设计可行性论证报告[R].深圳：奥雅纳工程咨询(上海)有限公司深圳分公司，2019.
[5] 刘琼祥，周斌，杨旺华，等.基于某工程实例的超高层结构体系比选 [J].建筑结构，2019,49(7):51-55.
[6] 广东省高层建筑混凝土结构技术规程：DBJ 15-92-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[7] 钱钧珑.某超高层住宅结构方案比选[J].建材与装饰，2018(25):111.
[8] 冯镜文，于渤.贵阳某超高层建筑结构方案的比选[J].建筑结构，2019,43(S2):226-230.
[9] 尹华圭.某地铁上盖高层建筑结构方案比选分析[J].建筑工程技术与设计，2018(19):831.
[10] 郭锋.武汉某超高层建筑结构方案选型比较[J].建筑工程技术与设计，2017(11):5326.