0 概述
最近幾年，我國(guó)的超高層建筑建設(shè)的數(shù)量與速度驚人。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前正在興建的摩天大樓( 高 度 500 英 尺 或 152m 以 上) 總 數(shù) 超 過(guò) 200幢，未來(lái) 5 年我國(guó)的摩天大樓總數(shù)將超過(guò) 800 幢，是現(xiàn)今美國(guó)摩天大樓總數(shù)的 4 倍。
超高層建筑由于樓層數(shù)多( 50 層或以上) ，建筑面積超大，施工周期長(zhǎng)，需要巨大投資，且資金回報(bào)期長(zhǎng)。有關(guān)房屋造價(jià)數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)造價(jià)占房屋建筑總造價(jià)的 25% 左右，其比例 與建造地域、建筑功能以及建筑的平面形狀有關(guān)，尤其與房屋建筑高度關(guān)系密切。對(duì)超高層建筑而言，結(jié)構(gòu)造價(jià)比例可高達(dá) 30% ～ 35% 。因此，降低結(jié)構(gòu)造價(jià)、提高結(jié)構(gòu)性價(jià)比要貫穿超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，是結(jié)構(gòu)工程師一直需要牢記在心的設(shè)計(jì)宗旨。另外，節(jié)約結(jié)構(gòu)材料用量可降低碳排量，也有助于實(shí)現(xiàn)綠色建筑、建筑可持續(xù)發(fā)展。本文從結(jié)構(gòu)工程師的角度，對(duì)影響超高層建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)的主要因素進(jìn)行探討。
1 結(jié)構(gòu)造價(jià)相關(guān)因素分析
安全、適用、經(jīng)濟(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三要素。三個(gè)要素之間既有層次關(guān)系，又相互平衡和制約。在滿足前兩個(gè)要素的前提下，討論如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性。
結(jié)構(gòu)造價(jià)可以用直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)或間接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)衡量。直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一般采用結(jié)構(gòu)造價(jià)百分比、單位面積結(jié)構(gòu)綜合造價(jià)或者單位面積材料用量( 如鋼材、鋼筋和混凝土) 。直 接 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)任何 類(lèi) 型的結(jié)構(gòu)都是適用的。但 超 高 層 建 筑 具 有 施 工 周 期長(zhǎng)、投資回收慢、豎向構(gòu)件面積大等特點(diǎn)，也可用間接經(jīng)濟(jì)指標(biāo) ( 如豎向 構(gòu)件占樓層面積比、施工可建性、社會(huì)效應(yīng)、樓層凈高) 來(lái)補(bǔ)充衡量。限于篇幅關(guān)系，本文主要 以直接經(jīng)濟(jì)指 標(biāo) 以 及施工可建性 ( 如施工周期對(duì)投資回收影響) 來(lái)判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否經(jīng)濟(jì)合理。
對(duì)任何一個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，s≤r( s 為效應(yīng)、外部條件; r 為結(jié)構(gòu)具備抗力、變形要求) 是必須滿足的。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，必須從公式的兩端同時(shí)入手，才能取得最佳效果。首先，在超高層建筑中，風(fēng)荷載是主要水平控制荷載，因此，減小風(fēng)荷載是最有效的措施之一。其次，提高抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的效率是節(jié)約材料用量的有效途徑; 不同材料的有機(jī)組合也可發(fā)揮材料各自的優(yōu)點(diǎn)，降低結(jié)構(gòu)綜合造價(jià)。最后，確定合理的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，既確保結(jié)構(gòu)安全，又能滿足經(jīng)濟(jì)要求。
針對(duì)超高層建筑的結(jié)構(gòu)受力和施工特點(diǎn)，以下就建筑體型、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料以及施工周期等影響結(jié)構(gòu)造價(jià)的若干因素進(jìn)行重點(diǎn)分析。
2 建筑體型
影響結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的超高層建筑體型主要有高寬比、沿建筑高度的立面變化以及平面形狀等。優(yōu)化的建筑體型可以有效減小風(fēng)荷載，也顯著降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。
2．1 高寬比
( 1) 高寬比與結(jié)構(gòu)剛度
超高層建筑在其他條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底傾覆力矩與建筑高度的平方成正比，而建筑物頂部的側(cè)向位移與其高 度 的 四 次 方 成 正比。與多高層建筑相比，超高層建筑高度增加幾十倍，但房屋的進(jìn)深 ( 寬度) 最多增加幾倍，其高寬比要大很多，位移控制以及頂部舒適度就會(huì)成為主要問(wèn)題。因此，為了增大超高層建筑抵抗水平力和側(cè)移的能力，增加建筑的有效寬度是最有效的。增加建筑的有效寬度可以直接減小傾覆力矩產(chǎn)生的拉壓力，從而節(jié)省材料，而結(jié)構(gòu)剛度大幅提高，結(jié)構(gòu)側(cè)移按有效寬度三次方的比例減小。懸掛結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)一般由內(nèi)部筒體承擔(dān)，其高寬比一般較大，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較弱，很少應(yīng)用于超高層建筑。另外，常規(guī)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的傾覆力矩和水平剪力主要由核心筒承擔(dān)，外框架承擔(dān)比例較低，因此，核心筒的高寬比更能真實(shí)反映其受力特征，往往比建筑物的名義高寬比更有參考意義。
( 2) 高寬比與結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向作用
超高層建筑物的高寬比也顯著影響橫風(fēng)向的風(fēng)荷載。以某細(xì)柔的超高層建筑為例 ( 圖 1) ，其主體結(jié)構(gòu)高度約為 167m，平面呈正方形，原方案設(shè)計(jì)的外形尺寸為 16. 8m × 16. 8m，結(jié)構(gòu)的高寬比約為 10。
初步風(fēng)洞試驗(yàn)表明，其橫風(fēng)向的基底彎矩約為順風(fēng)向的 3 倍，橫風(fēng)向效應(yīng)非常明顯。優(yōu)化方案將建筑平面尺寸調(diào)整為 18.0m × 18.0m 的正方形，結(jié)構(gòu)的高寬比減小為 9，基底剪力減小幅度 為 50% 。
其主要原因是影響橫風(fēng)向共振的主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)頻率折算值 n 1建筑物的高寬比也顯著影響結(jié)構(gòu)側(cè)移的組成。以懸臂結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在假想均布風(fēng)荷載作用下，彎曲變形與剪切變形的比例隨建筑物高寬比的變化見(jiàn)圖 2。從圖可以看出，當(dāng)建筑物高寬比達(dá)到 6 時(shí)，剪切引起的變形( 有害位移) 與彎曲引起的變形( 無(wú)害位移) 比值為 1 ∶ 11，即結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移中有害位移僅占 8% 。上述簡(jiǎn)化分析表明，當(dāng)建筑物高度較高且高寬比較大時(shí)，其結(jié)構(gòu)層間位移控制標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放松，僅需滿足非結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形要求即可，而此標(biāo)準(zhǔn)通常為 h /200( h 為建筑層高) 。
2. 2 錐形化體型
錐形內(nèi)收的建筑體型，一方面通過(guò)截面沿高度的不斷收縮變化，可顯著減小風(fēng)荷載作用下的漩渦脫落和橫風(fēng)向效應(yīng)，另一方面可提高結(jié)構(gòu)抵抗水平力的效率，體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
( 1) 有效抵抗傾覆力矩
在水平荷載作用下，高層建筑的傾覆力矩可簡(jiǎn)化如圖 3( a) 所示。超高層建筑錐形內(nèi)收的體型基本符合其傾覆力矩的分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)材料的效能充分得到發(fā)揮，如圖 3( b) 及圖 3( c) 所示。
( 2) 提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度
錐形化體型的超高層建筑，外框架柱略微傾斜，可以減小框架的側(cè)移。這樣，在相同的體積下，錐形框架可以比矩形框架建造得更高。用簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)三個(gè)分別為 16，32 和 40 層的三開(kāi)間建筑物進(jìn)行研究，傾斜部分的高度分別為 1 /2 高度和全高( 圖 4) 。研究表明，40 層框架的相對(duì)側(cè)移減小得最多，因?yàn)槠涓邔挶茸畲?。?dāng)外柱的斜率為 8% 時(shí)，可使 40 層框架的側(cè)向位移減小 50%。
另外，對(duì)一個(gè)外柱 傾 斜 角 度 86. 7° 的 巨 型 框 架模型進(jìn)行分析，在水平荷載作用下，由于巨柱傾斜，巨柱軸力分解產(chǎn)生的水平分力約為樓層水平總剪力值的 40% 左右。這表明由傾斜巨 柱的軸力來(lái)抵抗水平剪力是非常有效的。
2. 3 抗風(fēng)體型
風(fēng)荷載是超高層建筑的主要控制水平荷載，合理的建筑體型可有效減小風(fēng)荷載，尤其可降低高寬比較大的建筑物的橫風(fēng)向作用。
( 1) “卸風(fēng)”體型
隨建筑高度增加，風(fēng)荷載以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。建筑物頂部的風(fēng)荷載引起的傾覆力矩占基底傾覆力矩的比例較大。因此，在建筑物高區(qū)立面開(kāi)設(shè)一些洞口，減小迎風(fēng)面面積，對(duì)減小基底風(fēng)荷載以及傾覆力矩作用非常明顯，如圖 5 所示。
( 2) 扭轉(zhuǎn)體型
對(duì)橫風(fēng)向引起的風(fēng)荷載以及頂部舒適度，沿高度不斷扭轉(zhuǎn)建筑體型則是非常有效的方式。增加建筑物的扭轉(zhuǎn)程度可導(dǎo)致渦漩脫落 之 間 的 相 關(guān) 性 減小，從而降低橫風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)。芝加哥螺旋塔( 圖 6( a) ) 的扭轉(zhuǎn)體型可減小頂部加速度約 80% 。上海中心大廈( 圖 6 ( b) ) 旋轉(zhuǎn) 120° 扭轉(zhuǎn)體型，與傳統(tǒng)的不扭轉(zhuǎn)、規(guī)則的箱體體型相比，可降低風(fēng)荷載 60% 。初步估算表明，上海中心大廈優(yōu)化后的建筑體型可節(jié)約結(jié)構(gòu)造價(jià) 6 000 萬(wàn)美元。
( 3) 其他減小橫風(fēng)向措施
超高層建筑采用流線形平面、建筑角部鈍化、沿高度逐步退臺(tái)以及立面設(shè)置導(dǎo)流槽等體型優(yōu)化措施均可以有效降低橫風(fēng)風(fēng)荷載，從而取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
此外，通過(guò)建筑物朝向優(yōu)化，使大樓空氣動(dòng)力響應(yīng)最不利的風(fēng)向遠(yuǎn)離當(dāng)?shù)刂饕膹?qiáng)風(fēng)風(fēng)向，從而使抵抗風(fēng)荷載效果達(dá)到最大。當(dāng)然，這些措施的改進(jìn)需要詳細(xì)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)估。
3 結(jié)構(gòu)體系
3． 1 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系
在水平荷載作用下，超高層建筑的傾覆力矩與高度的關(guān)系表明，結(jié)構(gòu)材料用量隨建筑高度非線性急劇增加。因此，提高抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的效率是降低結(jié)構(gòu)造價(jià)的主要途徑之一。fazlur khan 認(rèn)為，高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系其側(cè)向變形應(yīng)僅僅由柱的縮短和拉伸引起?？箯澘蚣軜?gòu)件的彎曲變形和剪切變形只會(huì)降低結(jié)構(gòu)的效率，導(dǎo)致額外的結(jié)構(gòu)材料和造價(jià)。fazlur khan 定 義 的 結(jié) 構(gòu) 效 率 為 柱 縮 短 和 拉 伸引起的側(cè)向位移占結(jié)構(gòu)總側(cè)移的比例，結(jié)構(gòu)總側(cè)移包括剪切變形、彎曲變形以及柱拉伸和縮短引起的變形。對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，100% 的效率值只有當(dāng)建筑物簡(jiǎn)化為純粹的懸臂構(gòu)件才能實(shí)現(xiàn)。由于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系中不可避免地存在剪切變形，對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，80% 的結(jié)構(gòu)效率值是比較理想的。西爾斯大廈初步設(shè)計(jì)方案采用框筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)效率只有 61% ，后來(lái)通過(guò)引進(jìn)建筑內(nèi)部密柱深梁的框架形成束筒體系，其結(jié)構(gòu)效率達(dá)到 78% ，基本達(dá)到了 80% 的目標(biāo)值，從而有效降低了結(jié)構(gòu)造價(jià)。金茂大廈結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)效率為 70% ，表明其巨柱伸臂體系的效率已優(yōu)于框筒體系，與束筒的效率基本相當(dāng)。反之，普通梁柱剛接的框架結(jié)構(gòu)效率為 15% ～20% 左右，表明其側(cè)向位移主要由梁柱的彎曲變形引起，抗側(cè)力體系效率不高。
對(duì)北美 100 層左右的超高層鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量統(tǒng)計(jì)( 表 1) 也表明，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系效率與結(jié)構(gòu)用鋼量直接相關(guān)。巨型支撐筒體和束筒體系的結(jié)構(gòu)效率值比框架支撐和框筒體系相對(duì)較高，結(jié)構(gòu)用鋼量也相應(yīng)減小。
3． 2 樓蓋體系
超高層建筑中樓蓋體系的結(jié)構(gòu)高度對(duì)結(jié)構(gòu)造價(jià)也有較大影響。以 60 層建筑為例，樓蓋結(jié)構(gòu)高度每增加 30cm，累積起來(lái)結(jié)構(gòu)的總高度就增加了 18m，風(fēng)荷載和地震作用就會(huì)大大增加。除此以外，電梯、立面圍護(hù)系統(tǒng)以及其他機(jī)電設(shè)施的造價(jià)都要相應(yīng)增加。此外，樓蓋跨度大小也是影響承重結(jié)構(gòu)材料用量的主要因素。
另外，對(duì)于中等烈度( 設(shè)防烈度 7 度) 以上地震區(qū)的超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，混凝土固有的巨大質(zhì)量使抗震設(shè)計(jì)更為嚴(yán)峻。因此，結(jié)構(gòu)自重較輕的樓蓋體系、輕質(zhì)混凝土樓板、輕質(zhì)建筑圍護(hù)及隔墻材料應(yīng)在方案階段優(yōu)先考慮。此外，樓蓋體系的結(jié)構(gòu)重量也會(huì)累加，加上結(jié)構(gòu)自重較大的樓蓋體系要求截面更大的豎向構(gòu)件，這些荷載往下傳遞，從而大大影響基礎(chǔ)造價(jià)。在軟土地基地區(qū)，地下結(jié)構(gòu) ( 含基礎(chǔ)) 造 價(jià) 占 結(jié) 構(gòu) 總 造 價(jià) 的 比 例 大 約 為 30% 。因此，減輕樓蓋體系的結(jié)構(gòu)自重對(duì)提高結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性也很有意義。
4 結(jié)構(gòu)材料
判別結(jié)構(gòu)所用材料的經(jīng)濟(jì)性，不能單獨(dú)地將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的造價(jià)相比較，而必須考慮所有影響造價(jià)的因素。在超高層建筑的結(jié)構(gòu)總造價(jià)中，結(jié)構(gòu)材料直接費(fèi)約占 50% 左右，另外 50% 為現(xiàn)場(chǎng)安裝所需勞動(dòng)力和設(shè)備的間接費(fèi)用。因此，在結(jié)構(gòu)材料選用時(shí)，除了節(jié)省結(jié)構(gòu)材料用量外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)材料的施工特點(diǎn)，價(jià)格 ( 如鋼筋、鋼材的) 波動(dòng)以及是否適合當(dāng)?shù)鼐唧w條件、材料供應(yīng)、人力、技術(shù)和管理狀況。如在路途遙遠(yuǎn)或不易達(dá)到的工地進(jìn)行大型工程施工時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)是唯一的適合材料。如在城市鬧市區(qū)施工場(chǎng)地狹小，選用鋼結(jié)構(gòu)可能是一個(gè)決定性的條件。
4．1 鋼結(jié)構(gòu)
鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高、自重輕、施工工期短、建筑有效使用空間大以及施工受氣候條件影響小等優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。然而這一差價(jià)常因采用鋼結(jié)構(gòu)后，由于結(jié)構(gòu)自重輕而降低基礎(chǔ)造價(jià)、增加建筑適用面積和縮短施工周期等得到相當(dāng)程度的彌補(bǔ)，從而提高工程的綜合經(jīng)濟(jì)效益。建筑高度越高，樓蓋跨度越大，鋼結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)效益愈發(fā)明顯，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)差異進(jìn)一步減小。
鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)一般包含三部分，即鋼材費(fèi)用、制作和安裝費(fèi)用以及防火防腐涂料費(fèi)用，三者比例一般為 45% ∶ 35% ∶ 25% 。因此，當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，簡(jiǎn)單的構(gòu)件截面形式、簡(jiǎn)潔標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造、軋制h 型鋼的推廣、規(guī)格相對(duì)少的鋼材板厚以及因地制宜和合理的防火、防腐措施等均可以降低制作和安裝費(fèi)用和附加費(fèi)用，從 而 降 低 鋼 結(jié) 構(gòu) 的 總 體 造 價(jià)。
另外，特殊條件下的節(jié)點(diǎn)形式，節(jié)點(diǎn)板的用鋼量增加也不容忽視，如超厚板采用高強(qiáng)螺栓連接以及斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)等，節(jié)點(diǎn)板用鋼量占構(gòu)件理論用鋼量的比例可高達(dá) 30% 。
表 2 給出了北美不同時(shí)期鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼量的比較，以了解鋼結(jié)構(gòu)建筑的大致結(jié)構(gòu)造價(jià)。從表中統(tǒng)計(jì)可以看出，1966 年以后設(shè)計(jì)的高層建筑用鋼量明顯低于 1965 年以前設(shè)計(jì)的，31 層以上建筑用鋼量下降 35% ～ 43% ; 在 1965 年以前設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼量隨建 筑高 度 增 加 用 鋼 量 也 相 應(yīng) 增加，而 1966 年以后設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼量隨建筑高度增加保持不 變。由此也 可見(jiàn)，1965 年之前，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系比較單一，而隨著時(shí)代發(fā)展，新型高效的抗側(cè)力體系應(yīng)用日益廣泛，也間接驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)用鋼量與結(jié)構(gòu)效率以及建筑高度的關(guān)系。
4．2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有剛度大、固有阻尼大、防火性能好等優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)與鋼結(jié)構(gòu)相比相對(duì)較低。但其結(jié)構(gòu)自重較大、抗拉強(qiáng)度低以及施工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在高地震烈度區(qū)、軟土地基地區(qū)以及高寬比較大的超高層建筑中應(yīng)謹(jǐn)慎采用，在投資利率較高的時(shí)期也應(yīng)慎重選擇。
在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)總造價(jià)中，混凝土作為材料所占費(fèi)用相對(duì)較小( 大約 15% ～ 20% ) ，而鋼筋則占造價(jià)的較大部分( 20% ～ 30% ) ，造價(jià)的最大部分是模板和臨時(shí)支撐 ( 30% ～ 60% ) 。模 板 和 鋼 筋 工 程中人工成本占較大比例。近 5 年來(lái)，我國(guó)建筑業(yè)人工成本已增加一倍以上。因此，隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的進(jìn)一步提高，鋼筋混凝土的造價(jià)將穩(wěn)步提升，與鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)的差異將日益減小。
4．3 混合結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)
鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是在同一結(jié)構(gòu)體系中，鋼與鋼筋混凝土兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件并用，充分利用兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而取得更佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，使用鋼量進(jìn)一步下降。
鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土材料的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)在超高層建筑最常用的結(jié)構(gòu)形式。此外，如型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱以及鋼-混凝土組合梁等組合構(gòu)件也大量應(yīng)用在超高層建筑中。
目前，組合結(jié)構(gòu)以及混合結(jié)構(gòu)在超高層建筑中廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在目前 100 幢最高的超高層建筑中，純鋼結(jié)構(gòu)只占了 24% ，而在 1990 年純鋼結(jié)構(gòu)比例高達(dá) 57% 。近年來(lái) 建成的最高 的 超 高層建筑，如馬來(lái)西亞雙塔、臺(tái)北 101 大廈、上海環(huán)球金融中心以及迪拜塔等均采用了混合結(jié)構(gòu)。
5 施工周期
超高層建筑由于標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積大，樓層數(shù)多，因此總施工周期普遍較長(zhǎng)。按建筑標(biāo)準(zhǔn)層 7 天 1 層的施工速度，建筑高度 300m、樓層數(shù) 70 層的超高層建筑上部結(jié)構(gòu)施工周期在 1 年半左右。施工周期的縮短，意味著建筑可提前投入使用，提前出租，增加租金收入，業(yè)主可盡 早 獲 取 投 資 回 報(bào)，縮 短 還 貸 時(shí)間。因此，考慮結(jié)構(gòu)總造價(jià)時(shí)，加快施工速度、縮短施工周期也是提高結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的因素之一。
以中東海灣地區(qū)為例 ，2008 年期間其建筑領(lǐng)域的投資年利率達(dá)到 18% 。因此施 工周期是當(dāng)?shù)爻邔咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的最關(guān)鍵因素之一。典型的超高層建筑施工工藝普遍采用“雙施工面”形式，即塔樓的鋼筋混凝土核心筒采用滑模先期施工至底面以上幾十米以上高度，其高度已超過(guò)周邊較為復(fù)雜的裙房結(jié)構(gòu)的屋面標(biāo)高，后續(xù)裙房和塔樓外框結(jié)構(gòu)可從地面層開(kāi)始施工。這樣，兩個(gè)不同高度的施工工作面可以同步施工，大大縮短了主體結(jié)構(gòu)的施工周期，減少了土建投資。
超高層建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性很大程度上取決于施工方法以及由其帶來(lái)的施工周期長(zhǎng)短。因此，在選擇超高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系時(shí)，除了追求結(jié)構(gòu)體系的效率外，其采用的施工方法和安裝過(guò)程也是非常重要的。以下以天津津塔項(xiàng)目為例，說(shuō)明施工周期的縮短與結(jié)構(gòu)體系選擇的密切關(guān)系。
天津津塔為辦公建筑，地上 75 層，建筑高度為336. 9m( 圖 7) 。塔樓的主要抗側(cè)力體系由“鋼管混凝土柱框架 + 核心鋼板剪力墻體系( spsw) + 外伸剛臂抗側(cè)力體系”組成。原設(shè)計(jì) spsw 不承擔(dān)豎向荷載，僅由框架柱承受豎向荷載，以確保在地震時(shí)，即使鋼板因張力場(chǎng)效應(yīng)而出現(xiàn)屈曲，結(jié)構(gòu)也有足夠的能力承受豎向荷載。因此，原設(shè)計(jì)要求 spsw 在主體結(jié)構(gòu)封頂后延遲安裝。此方案需要延長(zhǎng)施工周期 6 個(gè)月，工期不能滿足業(yè)主預(yù)期要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì) spsw 施工順序進(jìn)行了調(diào) 整，采用 spsw 延遲主體結(jié)構(gòu) 15 層( 例如: 主體結(jié)構(gòu)混凝土澆搗到 16 層完畢后，第 1 層鋼板 剪力墻開(kāi)始 緊 固安裝) 的安裝方案。為了防止 spsw 在豎向荷載作用下發(fā)生屈曲，對(duì)部分鋼板剪力墻鋼板厚度進(jìn)行了加厚且采用豎向加勁肋進(jìn)行加強(qiáng)。最后滿足業(yè)主工期要求的鋼板剪力墻及 加 勁 肋 方 案 僅 比 原設(shè) 計(jì) spsw 用 鋼 量 增 加500t。按 照 國(guó) 內(nèi) 鋼 結(jié) 構(gòu) 造
價(jià)，僅增加結(jié)構(gòu)費(fèi)用 600 萬(wàn)元，但對(duì)于投資幾十億的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，提前 6 個(gè)月結(jié)構(gòu)封頂，光利息一項(xiàng)就可以節(jié)約造價(jià)上千萬(wàn)元。
上述兩個(gè)實(shí)例表明，結(jié)構(gòu)造價(jià) 與 施 工 周 期 密 切 相關(guān)，尤其 對(duì) 于 層 數(shù) 較 多、投資較 大 的 超 高 層 建 筑。在結(jié)構(gòu)概 念 設(shè) 計(jì) 和 初 步 設(shè) 計(jì)階段，施工可行性與結(jié)構(gòu)體系選型應(yīng)放在同等重要的地位予以考慮。
6 超高層混合結(jié)構(gòu)用鋼量分析
圖 8 給出了目前國(guó)內(nèi)在建 ( 部分已使用) 的部分超高層 建 筑 的 結(jié) 構(gòu) 用 鋼 量 指 標(biāo) ( 單 位 面 積 用 鋼量，不包含鋼筋用量) 。這 些 超高層建筑大多 分 布于上海、北京、天 津、廣 州 等 大 中 城 市，建 筑 高 度 在300m 及以上，建筑功能主要為辦公、酒店或公寓等多功能用途。基于目 前 國(guó) 內(nèi) 超 高 層 建 筑 結(jié) 構(gòu) 體 系90% 以上采用混合結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)狀，選取的工程以鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)類(lèi)型為主，即核心筒采用鋼筋混凝 土 剪 力 墻，外 框 采 用 組 合 結(jié) 構(gòu) 框 架 ( src 或cft) ，樓面體系為鋼梁上鋪混凝土組合樓板。為了便于對(duì)比，也給出了北美類(lèi)似高度的超高層純鋼結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
( 1) 單位面積用鋼量與建 筑高度、結(jié)構(gòu)高寬比以及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系密切相關(guān)。正如前文分析，建筑高度越高，結(jié)構(gòu)高寬比越大，單位面積結(jié)構(gòu)用鋼量越大。結(jié)構(gòu)體系的效率高低也直接決定了結(jié)構(gòu)用鋼
量的指標(biāo)，如外框采用支撐筒或斜交網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)用鋼量相對(duì)較低。
( 2) 初步統(tǒng)計(jì)表明，框架柱( 巨柱) 、伸臂桁架和環(huán)帶桁 架 用 鋼 量 占 結(jié) 構(gòu) 總 用 鋼 量 分 別 為 30% 和15% 左右。框架柱( 巨柱) 型鋼含鋼率高低、核心筒采用組合鋼板剪力墻等也影響鋼結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)。如巨柱采用圓鋼管混凝土形式可顯著降低用鋼量。
( 3) 不同建造地域的超高層建筑用鋼量差異較大，表明風(fēng)荷載或地震烈度也是影響結(jié)構(gòu)用鋼量的主要因素。武漢、重慶、無(wú)錫等區(qū)域用鋼量為低值，北京、天津和上海等用鋼量為高值。結(jié)構(gòu)用鋼量應(yīng)
在同等的水平荷載作用下進(jìn)行對(duì)比才有意義。
( 4) 與北美純鋼結(jié)構(gòu)相比，我國(guó)混 合結(jié)構(gòu)的型鋼用鋼量已達(dá)到或高于其鋼結(jié)構(gòu)用鋼量。這與我國(guó)規(guī)范體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)位移控制、基底剪重比以及外框承擔(dān)地震水平力比例等要求過(guò)于嚴(yán)格或不合理相關(guān)。另外，結(jié)構(gòu)較為嚴(yán)重的抗震超限程度以及不切實(shí)際過(guò)高的抗震性能目標(biāo) ( 強(qiáng)調(diào)中 震、大震下的性能) 也是增加用鋼量的一大因素。以目前應(yīng)用 較 多 的 巨 型 框 架-核 心 筒-伸 臂 桁 架 體 系 為例，要求巨型框架承擔(dān) 10% 地震基底剪力顯然是不合理的。結(jié)構(gòu)二道防線的考慮本質(zhì)上是承載力問(wèn)題而非剛度要求。顯而易見(jiàn)，巨型框架與伸臂桁架結(jié)合，抵抗傾覆力矩效率很高，但由于巨柱層間高度較大，其抗剪剛度比常規(guī)框架還差。為了達(dá)到外框承擔(dān) 10% 地震基底剪力的要求，巨柱以及環(huán)帶桁架的用鋼量需要成倍增加。
( 5) 早期已建成使用的超高層建筑用鋼量指標(biāo)明顯低于目前正在施工的同類(lèi)項(xiàng)目，如金茂大廈、地王大廈等，其用鋼量指標(biāo)均低于 100kg /m2 ，此現(xiàn)象需要我們反思。
7 結(jié)論和建議
( 1) 在超高層建筑中，結(jié)構(gòu) 造價(jià)占超高層建筑投資比例較大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，從體型、體系、材料和施工等多方面綜合考慮提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。
( 2) 安全、適用、經(jīng)濟(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三要素。影響結(jié)構(gòu)造價(jià)的各因素相互影響、相互制約甚至需要相互妥協(xié)。結(jié)構(gòu)工程師與建筑師應(yīng)密切合作才能得到優(yōu)化的建筑體型、結(jié)構(gòu)體系以及性價(jià)比最好的結(jié)
構(gòu)總體方案。
( 3) 應(yīng)該重視風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“重震輕風(fēng)”的傾向應(yīng)該得到糾正。對(duì)復(fù)雜體型的建筑，風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)是確定風(fēng)荷載的主要依據(jù)，尤其是確定橫風(fēng)向荷載和效應(yīng)。
( 4) 超高層建筑高寬比的增大是建筑用地日益緊張的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)專業(yè)往往需要屈服于建筑規(guī)劃需要。在滿足建筑規(guī)劃的前提下，建筑體型優(yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性往往起到事半功倍的作用。建筑體型優(yōu)
化可能帶來(lái)建筑體型的復(fù)雜化，從而引起其他方面( 如幕墻) 造價(jià)的增加，需要平衡。
( 5) 目前許多業(yè)主提出結(jié) 構(gòu) 限額設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為缺乏一定科學(xué)依據(jù)。超高層項(xiàng)目都是個(gè)性化的創(chuàng)造，有其地域性和特殊性，其結(jié)構(gòu)造價(jià)指標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也不應(yīng)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但創(chuàng)新、精心、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低超高層建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)的必然途徑。
( 6) 建議對(duì)超高層設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)作進(jìn)一步研究，如水平位移控制、剪重比、外框承擔(dān)剪力比例等，以滿足安全和經(jīng)濟(jì)性要求，且對(duì)提高我國(guó)超高層建筑設(shè)計(jì)水平將具有重要意義。