建筑结构论文
摘 要： 建筑方案设计贯穿着政府的要求、业主的意愿以及建筑师的构思, 建筑方案的好坏, 决定着结构方案的优劣, 并最终决定结构成本的高低。在建筑方案设计阶段将经济性理念融入建筑方案设计中可以获得良好的经济效益。笔者从地质条件、车库、建筑平面等几个方面出发, 对建筑方案设计过程中结构因素需要考虑的经济性思路进行剖析, 证实在考虑常规的建筑方案设计时, 如果在结构因素中能主动考虑到经济性问题将会得到最合理的方案。
关键词： 建筑方案设计; 结构因素; 经济性;
Abstract： The government's request, the willingness of owner and the architect's design need to be taken into consideration in the architecture scheme design. The quality of building scheme determines the quality of structure scheme and the quantity of structure cost. At the stage of architectural scheme design, good economic benefits can be obtained by integrating economic concept into architectural scheme design. From the aspects of geological conditions, garage and construction plane etc., the anatomy of economic structure analysis is necessary during the process of the building structure design. Besides considering the conventional architectural scheme design, the most ideal scheme can be gotten through taking the structural economic factor into account.
Keyword： architectural design; structural factor; economical efficiency;
1 引言
建筑设计涉及政治、经济、文化、科技、环境生态等方面, 高质量的建筑设计能创造出适宜的工作和生活的空间环境。[1]建筑方案设计就是与项目建设的实际情况相结合来进行科学合理的规划, 并采取合理的措施来对设计中存在的问题进行妥善的处理。[2]目前, 结构设计更多地把关注点放在具体的问题上, 而忽视了前期建筑方案设计中的经济性分析。[3]政府的要求、业主的意愿以及建筑师的构思都是通过建筑方案设计来体现的, 作为联系方案与后期施工的结构工程师, 由于设计进度、服务界面、业主经济性意识等多种原因, 往往不能在这一阶段深度介入。因此, 与介入方案程度更浅的结构工程师相比, 方案设计阶段的建筑师对结构投资成本的高低具有不可推卸的重要责任。建筑方案设计必须注意结构的选型与适用, 结构设计一定要合理, 没有选择最佳的结构体系肯定不是最经济的方案。[4]如何设计出一套在结构成本上合理的方案, 以满足业主经济性需要和社会节能减排的需要, 要求建筑师在涉及结构因素时必须具备基本的经济性分析能力;但这种基本能力在教科书、建筑类专着以及建筑设计工作实践中, 经常被忽略, 而建筑物在建设前期进行必要的结构方案及经济性分析, 可以保证项目在可控的工程预算范围内顺利实施。[5]鉴于此, 笔者将在地质条件、车库、建筑平面等几个方面, 对建筑方案设计过程中结构因素需要具备的经济性分析思路进行剖析。
2 结构因素的经济性分析
2.1 业态布置与地质条件
建筑的用地选择是整个设计方案中一个重要环节, 同时也是影响整个建筑项目的造价和建成投入使用后所带来的运营成本的关键因素。[6]建筑方案设计会考虑到地形对方案的影响, 但鲜有建筑师会考虑地质条件对方案的影响。缺少对地质条件的考虑, 可能导致后期成本增加或工期延后, 这在地质条件复杂的坡地或丘陵地区尤为突出。在面积较大的场地进行业态布置时, 可考虑建筑高度与高填方区域的关系。
在由高填方产生的边坡附近, 总图布置时宜考虑为多层建筑, 尽量将高层建筑远离高填方边坡临空面, 因为地震对边坡附近建筑影响很大, 而高层建筑受地震力的影响更大于多层建筑。当高层建筑处于高填方边坡附近时, 考虑到地震作用水平力建筑结构与不稳定土体的相互作用, 严格的结构处理方式是采用结构架空, 尽量减少挡墙支护。如果高层建筑架空层剪力墙需全部落地 (多层建筑为框架柱或短肢剪力墙落地) , 会导致剪力墙结构造价更高。根据统计, 仅针对架空层本身的结构成本而言, 高层建筑架空层每平方米造价比多层建筑架空层增加约200～300元。高填方区对于结构有利的场地剖面及高填方区对于结构不利的场地剖面示意如图1所示。
图1 高填方区对于结构有利及不利的场地剖面示意
高填方区对于结构有利的场地以重庆某项目为例 (图2) 。别墅处于高差约30 m的边坡上, 结构处理方式为后院框架结构架空。由于别墅结构受水平地震作用影响不大, 为了节约造价, 架空层框架结构可以没有楼板。施工过程中采用人工挖孔的方式在半坡上施工, 无不利影响。
图2 重庆某项目平面图
高填方区对于结构不利的场地以云南某项目为例 (图3) 。该边坡高度约30 m。别墅在坡底, 高层在坡顶。考虑到不稳定土体和主体结构相互作用, 经技术论证, 只能将主体结构及周边车库架空处理, 导致出现20 m高的大面积无任何建筑功能的架空层结构。
图3 云南某项目平面图及边坡剖面图
2.2 高层区车库柱网与地质条件
对于车库柱网的布置, 建筑师不仅需要考虑单车位面积最小化这一通用限制条件, 还必须考虑柱网大小与结构成本的关系。一般有以下三种常见形式。
(1) 5.4 m×5 m的双车位小柱网。5.4 m×5 m的双车位小柱网适合于纯挖方区。根据结构造价的比例关系, 车库梁板成本占总结构成本的90%, 而柱成本只占总结构成本的10%, 因此降低梁板跨度, 对结构成本具有极为明显的经济意义。而在挖方区, 通常可以设计为浅基础, 基础成本相对于梁板成本而言, 几乎可以忽略不计。因此在挖方区将车库设计为小柱网是最理性的选择。
(2) 8 m×9 m的三车位大柱网。8 m×9 m的三车位大柱网适合于深回填区。比如30 m以上的深回填区域, 桩基础成本和桩施工周期会成为主要考虑对象。此时增加梁板跨度来满足桩的成本和工期是非常必要的。
(3) 8 m×5 m的三车位大柱网。8 m×5 m的三车位大柱网适合于较浅填方区和挖填混合区。这种一个方向大跨度、另一个方向小跨度的折中布置方式, 既能节约桩基础数量, 也能有效控制梁板结构造价。
2.3 地下掩埋方式与结构嵌固
建筑师应知道结构高度与建筑高度存在区别。主楼结构高度是以嵌固端起算至大屋面的高度。而嵌固端与主楼地下室掩埋方式密切相关。地下室四面掩埋时, 有条件将地下室顶板作为结构嵌固端 (是否将地下室顶板作为嵌固端, 应会同结构工程师根据是否会超限确定) ;当地下室存在一个及以上临空面时, 通常不得将地下室顶板作为嵌固端。嵌固端确定后, 结构高度就确定了, 结构抗震等级也就确定了。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) [7], 对于剪力墙结构, 结构高度80 m是抗震等级的分界线。因此在有条件的情况下, 将结构高度控制在80 m的范围内, 具有明显的经济意义。
以四川某6度区高层为例 (图4) , 各楼栋基本上为26层, 结构高度为78 m, 抗震等级为4级。如果这些楼栋为27层, 那么结构高度为81 m, 抗震等级为3级。而4级抗震结构比3级抗震结构每平方米节约钢筋约4公斤。
图4 四川某6度区高层平面图
2.4 结构超限与建筑方案
以下几种常见的建筑方案设计会导致结构超限出现。
(1) 结构高度。不同的结构形式, 对应不同的超限高度。这个高度一旦超限, 直接算成超限结构。详见《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB 50223) [8]和《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) [9]。
(2) 平面凹凸超限。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 的相关要求, 结构平面凹进或凸出的一侧尺寸与相应投影方向总尺寸的百分比B1/B≤0.35, 结构平面突出部分长度与连接宽度的比值l/b≤2.00, 如图5所示。不在此范围内即为超限。
(3) 楼板连续性超限。楼板有效宽度占该层楼板典型宽度的百分比B1/B≥0.50, 其中有效宽度应扣除凹入和开洞宽度, 典型宽度是指在规则平面前提下相应的有代表性的宽度。错层高度与错层处梁高的比值≤1.00。楼板开洞面积占该层楼面积的百分比≤0.30, 开洞后任一方向的净宽 (即楼板任一位置同一方向的最小板宽) a1+a2≥5.00 m, 每一边的净宽a1≥2.00 m且a2≥2.00 m, 净宽不包括主体结构悬挑部分, 如图5所示。不在此范围内即为超限。
图5 平面凹凸超限和楼板连续性超限
结构超限带来的负面影响较多, 例如:
(1) 相对于不超限的结构, 超限结构通常带有先天的受力不合理缺陷。在专家审查会上, 专家将对该结构提出各种加强措施进行后天弥补, 造成结构成本的大幅提高。
(2) 超限结构设计难度更大, 需准备的结构资料更多, 造成设计周期拖长。
(3) 建设单位需要在初设上会前特别地组织专家审查会, 直接延长了开发报建的时间。
(4) 如果结构超限过于严重, 将无法通过专家审查会, 使建筑方案被打回修改, 导致建设单位损失时间。
因此对于设计市场上主流的、快节奏开发的楼盘而言, 要尽可能在方案设计阶段避免结构超限。
2.5 结构布置与户型
(1) 墙体错位的影响
由于剪力墙结构的结构墙体占钢筋和混凝土总量的40%以上, 因此在结构布置中, 应尽量用梁拉通来代替剪力墙, 从而减少剪力墙的数量或缩短长度。但由于不同的墙体轴线可能出现错位, 导致梁无法拉通, 这就不得不增加剪力墙的数量或增加剪力墙的长度。以武汉某项目为例, 图中墙体基本无错位, 能用梁拉通, 减少了剪力墙数量, 如图6所示。
图6 墙体错位较少的户型
(2) 客厅与餐厅的分割方式
客厅和餐厅之间通常不设明梁, 因此容易导致此处楼板成为不规整的“异型板”, 而“异型板”对受力是不利的。结构设计中对此位置通常需要进行加强处理, 这会造成梁板造价增加, 因此在该位置建议采用矩形板或接近矩形的板, 而不宜采用异型板。如图7所示。
图7 结构合理的客厅和餐厅分割方式与结构不合理的客厅和餐厅分割方式
2.6 车库层高与梁高的关系
较低的层高和梁的截面尺寸消耗的材料少, 可以减少成本。除非为了利用车库层高来消化场地高差, 我们在设计中应尽量压低地下室层高, 以取得更低的综合造价。考虑2.2 m的建筑净高和0.7 m的设备高度后, 可参考如下的车库结构梁高估算方式。
(1) 普通车库梁高的估算方式
现浇预应力无梁楼盖在大荷载 (如高覆土、消防车荷载) 和大跨度 (如8 m以上跨度) 的受力条件下能充分发挥其高强度钢丝的优势, 比高强度钢筋具有更好的经济性, 且有利于降低层高。以7.8 m×7.8 m的高层区规整大车库为例, 车库顶板在覆土1.5 m、无消防车的荷载作用下, 采用预应力无梁楼盖比采用普通梁板楼盖每平方米节省约200元的综合造价。在进行车库楼板选型和层高计算时, 可参考表1。
表1 普通车库梁高楼板选型
(2) 人防车库梁高的估算方式
根据结构规范要求, 人防车库不得采用预应力无梁楼盖, 所以只能考虑普通梁板楼盖。进行车库层高计算时, 可以按以下尺寸估算最大结构高度, 具体参考表2。
表2 人防车库梁高
3 结论
以上结构因素涵盖了常规建筑物在方案设计过程中应该考虑的各个方面, 具有很强的实用价值。当这些因素与规划要求、业主意愿、营销需要、工程进度等因素矛盾时, 建议进行专题论证决定取舍, 以得到最合理的方案。建筑方案设计是设计工作的核心, 作为一名优秀的建筑师, 在考虑建筑本身常规的问题外, 如果在结构因素中能主动考虑到以上经济性问题, 并通过在建筑设计过程中的良好互动, 将会使得建筑方案设计获得最佳的经济效益。
参考文献：
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[7] JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社, 2011.
[8] GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[9] GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2016.