超高層建筑結構造價的影響因素分析

近年來，中國的高層建筑數量和速度令人驚訝。據不完全統計,我國目前正在興建的摩天大樓(高度500英尺或152m以上)總數超過200幢,未來5年我國的摩天大樓總數將超過800幢,是現今美國摩天大樓總數的4倍。超高層建筑由于樓層數多(50層或以上),建筑面積超大,施工周期長,需要巨大投資,且資金回報期長。有關房屋造價數據表明,結構造價占房屋建筑總造價的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,尤其與房屋建筑高度關系密切。對超高層建筑而言,結構造價比例可高達30%~35%。因此,降低結構造價、提高結構性價比要貫穿超高層建筑結構設計過程,是結構工程師一直需要牢記在心的設計宗旨。另外,節約結構材料用量可降低碳排量,也有助于實現綠色建筑、建筑可持續發展。本文從結構工程師的角度,對影響超高層建筑結構造價的主要因素進行探討。1結構體系經濟分析安全、適用、經濟是結構設計的三要素。三個要素之間既有層次關系,又相互平衡和制約。在滿足前兩個要素的前提下,討論如何實現結構造價的經濟性。結構造價可以用直接經濟指標或間接經濟指標來衡量。直接經濟指標一般采用結構造價百分比、單位面積結構綜合造價或者單位面積材料用量(如鋼材、鋼筋和混凝土)。直接經濟指標對任何類型的結構都是適用的。但超高層建筑具有施工周期長、投資回收慢、豎向構件面積大等特點,也可用間接經濟指標(如豎向構件占樓層面積比、施工可建性、社會效應、樓層凈高)來補充衡量。限于篇幅關系,本文主要以直接經濟指標以及施工可建性(如施工周期對投資回收影響)來判斷結構設計是否經濟合理。對任何一個結構體系來說,S≤R(S為效應、外部條件;R為結構具備抗力、變形要求)是必須滿足的。實現結構的經濟性,必須從公式的兩端同時入手,才能取得最佳效果。首先,在超高層建筑中,風荷載是主要水平控制荷載,因此,減小風荷載是最有效的措施之一。其次,提高抗側力結構的效率是節約材料用量的有效途徑;不同材料的有機組合也可發揮材料各自的優點,降低結構綜合造價。最后,確定合理的設計性能指標,既確保結構安全,又能滿足經濟要求。針對超高層建筑的結構受力和施工特點,以下就建筑體型、抗側力結構體系、結構材料以及施工周期等影響結構造價的若干因素進行重點分析。2建筑高度的變化影響結構經濟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。優化的建筑體型可以有效減小風荷載,也顯著降低結構造價。2.1結構體系的設計(1)高寬比與結構剛度超高層建筑在其他條件相同時,在風荷載作用下,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成為主要問題。因此,為了增大超高層建筑抵抗水平力和側移的能力,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生的拉壓力,從而節省材料,而結構剛度大幅提高,結構側移按有效寬度三次方的比例減小。懸掛結構體系的抗側力結構一般由內部筒體承擔,其高寬比一般較大,結構抗側剛度較弱,很少應用于超高層建筑。另外,常規框架-核心筒結構的傾覆力矩和水平剪力主要由核心筒承擔,外框架承擔比例較低,因此,核心筒的高寬比更能真實反映其受力特征,往往比建筑物的名義高寬比更有參考意義。(2)高寬比與結構橫風向作用超高層建筑物的高寬比也顯著影響橫風向的風荷載。以某細柔的超高層建筑為例(圖1),其主體結構高度約為167m,平面呈正方形,原方案設計的外形尺寸為16.8m×16.8m,結構的高寬比約為10。初步風洞試驗表明,其橫風向的基底彎矩約為順風向的3倍,橫風向效應非常明顯。優化方案將建筑平面尺寸調整為18.0m×18.0m的正方形,結構的高寬比減小為9,基底剪力減小幅度為50%。其主要原因是影響橫風向共振的主要參數為結構頻率折算值n1:式中:f1為高層建筑橫風向第1階頻率;B為高層建筑的迎風面寬度;UH為高層建筑的頂部風速。n1與結構的迎風面寬度以及結構自振頻率密切相關。結構高寬比同時影響上述兩個參數,在建筑體型的優化過程中是最關鍵的因素。建筑物的高寬比也顯著影響結構側移的組成。以懸臂結構為研究對象,在假想均布風荷載作用下,彎曲變形與剪切變形的比例隨建筑物高寬比的變化見圖2。從圖可以看出,當建筑物高寬比達到6時,剪切引起的變形(有害位移)與彎曲引起的變形(無害位移)比值為1∶11,即結構頂點位移中有害位移僅占8%。上述簡化分析表明,當建筑物高度較高且高寬比較大時,其結構層間位移控制標準可適當放松,僅需滿足非結構構件變形要求即可,而此標準通常為h/200(h為建筑層高)。2.2超高層結構材料的方面特性錐形內收的建筑體型,一方面通過截面沿高度的不斷收縮變化,可顯著減小風荷載作用下的漩渦脫落和橫風向效應,另一方面可提高結構抵抗水平力的效率,體現在以下兩個方面。(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化如圖3(a)所示。超高層建筑錐形內收的體型基本符合其傾覆力矩的分布規律,結構材料的效能充分得到發揮,如圖3(b)及圖3(c)所示。(2)提高結構抗側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。用簡化計算對三個分別為16,32和40層的三開間建筑物進行研究,傾斜部分的高度分別為1/2高度和全高(圖4)。研究表明,40層框架的相對側移減小得最多,因為其高寬比最大。當外柱的斜率為8%時,可使40層框架的側向位移減小50%。另外,對一個外柱傾斜角度86.7°的巨型框架模型進行分析,在水平荷載作用下,由于巨柱傾斜,巨柱軸力分解產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抵抗水平剪力是非常有效的。2.3體型優化措施風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荷載,尤其可降低高寬比較大的建筑物的橫風向作用。(1)“卸風”體型隨建筑高度增加,風荷載以指數級增長。建筑物頂部的風荷載引起的傾覆力矩占基底傾覆力矩的比例較大。因此,在建筑物高區立面開設一些洞口,減小迎風面面積,對減小基底風荷載以及傾覆力矩作用非常明顯,如圖5所示。(2)扭轉體型對橫風向引起的風荷載以及頂部舒適度,沿高度不斷扭轉建筑體型則是非常有效的方式。增加建筑物的扭轉程度可導致渦漩脫落之間的相關性減小,從而降低橫風向動力響應。芝加哥螺旋塔(圖6(a))的扭轉體型可減小頂部加速度約80%。上海中心大廈(圖6(b))旋轉120°扭轉體型,與傳統的不扭轉、規則的箱體體型相比,可降低風荷載60%。初步估算表明,上海中心大廈優化后的建筑體型可節約結構造價6000萬美元。(3)其他減小橫風向措施超高層建筑采用流線形平面、建筑角部鈍化、沿高度逐步退臺以及立面設置導流槽等體型優化措施均可以有效降低橫風風荷載,從而取得可觀的經濟效益。此外,通過建筑物朝向優化,使大樓空氣動力響應最不利的風向遠離當地主要的強風風向,從而使抵抗風荷載效果達到最大。當然,這些措施的改進需要詳細風洞試驗結果來評估。3結構體系3.1結構體系效率在水平荷載作用下,超高層建筑的傾覆力矩與高度的關系表明,結構材料用量隨建筑高度非線性急劇增加。因此,提高抗側力結構體系的效率是降低結構造價的主要途徑之一。FazlurKhan認為,高效的抗側力結構體系其側向變形應僅僅由柱的縮短和拉伸引起。抗彎框架構件的彎曲變形和剪切變形只會降低結構的效率,導致額外的結構材料和造價。FazlurKhan定義的結構效率為柱縮短和拉伸引起的側向位移占結構總側移的比例,結構總側移包括剪切變形、彎曲變形以及柱拉伸和縮短引起的變形。對于超高層建筑來說,100%的效率值只有當建筑物簡化為純粹的懸臂構件才能實現。由于抗側力結構體系中不可避免地存在剪切變形,對于超高層建筑來說,80%的結構效率值是比較理想的。西爾斯大廈初步設計方案采用框筒結構體系,結構效率只有61%,后來通過引進建筑內部密柱深梁的框架形成束筒體系,其結構效率達到78%,基本達到了80%的目標值,從而有效降低了結構造價。金茂大廈結構體系的結構效率為70%,表明其巨柱伸臂體系的效率已優于框筒體系,與束筒的效率基本相當。反之,普通梁柱剛接的框架結構效率為15%~20%左右,表明其側向位移主要由梁柱的彎曲變形引起,抗側力體系效率不高。對北美100層左右的超高層鋼結構的用鋼量統計(表1)也表明,抗側力結構體系效率與結構用鋼量直接相關。巨型支撐筒體和束筒體系的結構效率值比框架支撐和框筒體系相對較高,結構用鋼量也相應減小。3.2結構材料的影響超高層建筑中樓蓋體系的結構高度對結構造價也有較大影響。以60層建筑為例,樓蓋結構高度每增加30cm,累積起來結構的總高度就增加了18m,風荷載和地震作用就會大大增加。除此以外,電梯、立面圍護系統以及其他機電設施的造價都要相應增加。此外,樓蓋跨度大小也是影響承重結構材料用量的主要因素。另外,對于中等烈度(設防烈度7度)以上地震區的超高層鋼筋混凝土結構而言,混凝土固有的巨大質量使抗震設計更為嚴峻。因此,結構自重較輕的樓蓋體系、輕質混凝土樓板、輕質建筑圍護及隔墻材料應在方案階段優先考慮。此外,樓蓋體系的結構重量也會累加,加上結構自重較大的樓蓋體系要求截面更大的豎向構件,這些荷載往下傳遞,從而大大影響基礎造價。在軟土地基地區,地下結構(含基礎)造價占結構總造價的比例大約為30%。因此,減輕樓蓋體系的結構自重對提高結構經濟性也很有意義。4結構材料選用判別結構所用材料的經濟性,不能單獨地將鋼結構與混凝土結構的造價相比較,而必須考慮所有影響造價的因素。在超高層建筑的結構總造價中,結構材料直接費約占50%左右,另外50%為現場安裝所需勞動力和設備的間接費用。因此,在結構材料選用時,除了節省結構材料用量外,還應考慮結構材料的施工特點,價格(如鋼筋、鋼材的)波動以及是否適合當地具體條件、材料供應、人力、技術和管理狀況。如在路途遙遠或不易達到的工地進行大型工程施工時,鋼結構是唯一的適合材料。如在城市鬧市區施工場地狹小,選用鋼結構可能是一個決定性的條件。4.1結構造價差異鋼結構具有材料強度高、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點,但其造價比鋼筋混凝土結構高。然而這一差價常因采用鋼結構后,由于結構自重輕而降低基礎造價、增加建筑適用面積和縮短施工周期等得到相當程度的彌補,從而提高工程的綜合經濟效益。建筑高度越高,樓蓋跨度越大,鋼結構的綜合經濟效益愈發明顯,與鋼筋混凝土結構造價差異進一步減小。鋼結構的造價一般包含三部分,即鋼材費用、制作和安裝費用以及防火防腐涂料費用,三者比例一般為45%∶35%∶25%。因此,當采用鋼結構時,簡單的構件截面形式、簡潔標準的節點連接構造、軋制H型鋼的推廣、規格相對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用和附加費用,從而降低鋼結構的總體造價。另外,特殊條件下的節點形式,節點板的用鋼量增加也不容忽視,如超厚板采用高強螺栓連接以及斜交網格結構的連接節點等,節點板用鋼量占構件理論用鋼量的比例可高達30%。表2給出了北美不同時期鋼結構建筑用鋼量的比較,以了解鋼結構建筑的大致結構造價。從表中統計可以看出,1966年以后設計的高層建筑用鋼量明顯低于1965年以前設計的,31層以上建筑用鋼量下降35%~43%;在1965年以前設計的高層建筑結構用鋼量隨建筑高度增加用鋼量也相應增加,而1966年以后設計的高層建筑結構用鋼量隨建筑高度增加保持不變。由此也可見,1965年之前,抗側力結構體系比較單一,而隨著時代發展,新型高效的抗側力體系應用日益廣泛,也間接驗證了結構用鋼量與結構效率以及建筑高度的關系。4.2超高層建筑的建設鋼筋混凝土結構具有剛度大、固有阻尼大、防火性能好等優點,且造價與鋼結構相比相對較低。但其結構自重較大、抗拉強度低以及施工周期長的特點,在高地震烈度區、軟土地基地區以及高寬比較大的超高層建筑中應謹慎采用,在投資利率較高的時期也應慎重選擇。在鋼筋混凝土結構總造價中,混凝土作為材料所占費用相對較小(大約15%~20%),而鋼筋則占造價的較大部分(20%~30%),造價的最大部分是模板和臨時支撐(30%~60%)。模板和鋼筋工程中人工成本占較大比例。近5年來,我國建筑業人工成本已增加一倍以上。因此,隨著我國勞動力成本的進一步提高,鋼筋混凝土的造價將穩步提升,與鋼結構造價的差異將日益減小。4.3使用鋼量下降鋼-混凝土混合結構是在同一結構體系中,鋼與鋼筋混凝土兩類結構的構件并用,充分利用兩類結構的優點,彌補兩類結構的缺點,相互取長補短,從而取得更佳的技術經濟效果,使用鋼量進一步下降。鋼-混凝土混合結構結合了鋼結構和鋼筋混凝土材料的優勢,成為現在超高層建筑最常用的結構形式。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件也大量應用在超高層建筑中。目前,組合結構以及混合結構在超高層建筑中廣泛應用。據不完全統計,在目前100幢最高的超高層建筑中,純鋼結構只占了24%,而在1990年純鋼結構比例高達57%。近年來建成的最高的超高層建筑,如馬來西亞雙塔、臺北101大廈、上海環球金融中心以及迪拜塔等均采用了混合結構。5雙施工面結構體系的構造超高層建筑由于標準層建筑面積大,樓層數多,因此總施工周期普遍較長。按建筑標準層7天1層的施工速度,建筑高度300m、樓層數70層的超高層建筑上部結構施工周期在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,業主可盡早獲取投資回報,縮短還貸時間。因此,考慮結構總造價時,加快施工速度、縮短施工周期也是提高結構經濟性的因素之一。以中東海灣地區為例,2008年期間其建筑領域的投資年利率達到18%。因此施工周期是當地超高層結構設計中需要考慮的最關鍵因素之一。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,其高度已超過周邊較為復雜的裙房結構的屋面標高,后續裙房和塔樓外框結構可從地面層開始施工。這樣,兩個不同高度的施工工作面可以同步施工,大大縮短了主體結構的施工周期,減少了土建投資。超高層建筑結構的經濟性很大程度上取決于施工方法以及由其帶來的施工周期長短。因此,在選擇超高層建筑的抗側力結構體系時,除了追求結構體系的效率外,其采用的施工方法和安裝過程也是非常重要的。以下以天津津塔項目為例,說明施工周期的縮短與結構體系選擇的密切關系。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)+外伸剛臂抗側力體系”組成。原設計SPSW不承擔豎向荷載,僅由框架柱承受豎向荷載,以確保在地震時,即使鋼板因張力場效應而出現屈曲,結構也有足夠的能力承受豎向荷載。因此,原設計要求SPSW在主體結構封頂后延遲安裝。此方案需要延長施工周期6個月,工期不能滿足業主預期要求。優化設計對SPSW施工順序進行了調整,采用SPSW延遲主體結構15層(例如:主體結構混凝土澆搗到16層完畢后,第1層鋼板剪力墻開始緊固安裝)的安裝方案。為了防止SPSW在豎向荷載作用下發生屈曲,對部分鋼板剪力墻鋼板厚度進行了加厚且采用豎向加勁肋進行加強。最后滿足業主工期要求的鋼板剪力墻及加勁肋方案僅比原設計SPSW用鋼量增加500t。按照國內鋼結構造價,僅增加結構費用600萬元,但對于投資幾十億的項目來說,提前6個月結構封頂,光利息一項就可以節約造價上千萬元。上述兩個實例表明,結構造價與施工周期密切相關,尤其對于層數較多、投資較大的超高層建筑。在結構概念設計和初步設計階段,施工可行性與結構體系選型應放在同等重要的地位予以考慮。6統計結果分析圖8給出了目前國內在建(部分已使用)的部分超高層建筑的結構用鋼量指標(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。基于目前國內超高層建筑結構體系90%以上采用混合結構體系的現狀,選取的工程以鋼-混凝土混合結構類型為主,即核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻,外框采用組合結構框架(SRC或CFT),樓面體系為鋼梁上鋪混凝土組合樓板。為了便于對比,也給出了北美類似高度的超高層純鋼結構用鋼量指標。統計分析結果可以得出以下結論。(1)單位面積用鋼量與建筑高度、結構高寬比以及抗側力結構體系密切相關。正如前文分析,建筑高度越高,結構高寬比越大,單位面積結構用鋼量越大。結構體系的效率高低也直接決定了結構用鋼量的指標,如外框采用支撐筒或斜交網格的結構用鋼量相對較低。(2)初步統計表明,框架柱(巨柱)、伸臂桁架和環帶桁架用鋼量占結構總用鋼量分別為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構用鋼量指標。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,表明風荷載或地震烈度也是影響結構用鋼量的主要因素。武漢、重慶、無錫等區域用鋼量為低值,北京、天津和上海等用鋼量為高值。結構用鋼量應在同等的水平荷載作用下進行對比才有意義。(4)與北美純鋼結構相比,我國混合結構的型鋼用鋼量已達到或高于其鋼結構用鋼量。這與我國規范體系的結構設計指標,如結構位移控制、基底剪重比以及外框承擔地震水平力比例等要求過于嚴格或不合理相關。另外,結構較為嚴重的抗震超限程度以及不切實際過高的抗震性能目標(強調中震、大震下的性能)也是增加用鋼量的一大因素。以目前應用較多的巨型框架-核心筒