建筑结构选型.doc

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除高层建筑结构体系选型研究班级 姓名 学号摘要：随着高层建筑规模的不断发展和投资力度的不断增加，结构选型作为建筑结构方案设计的重要环节，对结构功能、社会效益、建筑造价等都将产生影响，因此正确处理高层建筑结构选型问题，对高层建筑设计、施工、使用、维护等有重要意义。首先要充分了解高层建筑各主要结构类型的结构特点、适用范围等，才能对于结构体系的选择更具有合理性和针对性，其中要注意分析比较综合经济效益。然后阐述了高层建筑结构选型的各种影响因素，得到了高层建筑结构选型方案综合性能模型。该模型为减少选型的盲目性及为解决结构选型其它深层次问题等奠定了基础。关键词 : 高层建筑; 结构选型; 经济效益;影响因素.The Research on Decision-Making of Structural Types of High-Rise BuildingAbstract：With the development of the scale of high-rise building and the constant increasingof amount of investment, the selection of structure types，as an important link ofconceptual design of structure，will exert an influence on structure function, socialbenefit, construction cost, etc，so deal with the problem of selection of structuretypes correctly, have important meanings to design, construction, use and maintainetc.Firstly，we should fully understand each of main structure the structuralcharacteristic and the scope of application etc. only then we can have the rationality andpertinence for the choice of structural system，especially paying attention to analysiscomprehensive economic efficiency. Various of factors that affects the choices ofstructural types of high-rise building are discussed. According to these factors，theintegrative performance model for structural form selection is established. The modelcan lay down a solid foundation for reducing the blindness in structural form selectionand systematically resolving other profound problems in structural form selection. Key words: High-rise building; choice of structural styles; Economic benefits; Factors affected; 结构选型是建筑结构方案设计阶段中最重要的环节，是对结构功能、社会效益、美学效应和建筑造价有重大影响的综合性决策81。随着计算机科学、系统工程、运筹学、信息论、知识工程等学科的迅速发展，综合性的结构工程正不断受到它们的渗透和影响而向多元化方向发展，结构工程的大系统观念开始不断深入人心建筑结构事实上是一个复杂的大系统，其复杂性主要表现在环境作用下的不确定性、功能的多样性、局部祸连性和非线性。这里的环境有着广泛的涵义，它不仅包括自然环境，如地震、火灾、场地风场以及温度场等，还包括社会环境(经济规律、审美要求等)。如何设计出最大限度地满足所有环境场的最满意建筑是工程设计理论工作者面临的艰巨任务之一1结构选型1.1结构选型决策概念 决策包括两层含义14:一方面是指为了达到和完成特定的任务和目标而规定的行动纲领、计划、决议和措施、决策结果;另一方面是指为解决面临的问题或达到特定的目标和任务而拟定和选择行动计划、方案的过程(决策过程)。 1.2结构选型的决策模型 传统的决策模型通常包括确定性决策模型、风险性决策模型和竞争型决策模型三大类。确定性决策模型包括:基于偏好信息的多属性决策模型、盈亏平衡分析决策模型、费用分析决策模型、线性规划决策模型、非线性规划决策模型、动态规划决策模型等;风险性决策模型包括:最大可能决策模型、期望值决策模型、决策树模型、贝叶斯决策模型等;竞争型决策模型包括:对策论决策模型、最优纯策略决策模型、混合策略决策模型等。 1.3结构选型的决策方法 传统的决策方法通常包括确定性决策方法、风险型决策方法、竞争型决策方法三大类。确定性决策方法包括:基于偏好信息的多属性决策方法、盈亏平衡分析决策方法、费用分析决策方法、线性规划决策方法、非线性规划决策方法、动态规划决策方法等。风险型决策方法包括最大可能决策方法、期望值决策方法、决策树方法、贝叶斯决策方法、效用分析决策方法等。竞争型决策方法包括对策论决策方法、最优纯策略决策方法、混合策略决策方法等。2高层建筑结构体系的分类2.1.高层建筑结构体系的分类分析 按主要结构所采用的材料高层建筑结构类型主要有:全钢结构、钢一混凝土结构、型钢混凝土结构和钢管混凝土结构等四种结构体系，这里没有介绍混凝土结构是由于混凝土结构目前应用广泛，结构特点及优缺点己被人熟知。2.1.1全钢结构 这类结构的梁、柱及支撑(包括用于钢框架柱间作为等效支撑的嵌入式墙板)等主要构件均采用钢材的结构。主要具有以下特点: 1)综合经济效益方面 自重轻。钢结构多高层建筑的自重约为8-11kN/m2,钢筋混凝土高层建筑的自重约为15-18kN/m2，前者比后者减轻自重40%以上。 结构面积小。据统计，钢柱和钢筋混凝土柱的结构面积分别约占建筑面积的3%和7%0现以8万m2的楼房为例，若采用钢结构，可比采用钢筋混凝土结构增加楼房有效使用面积3200 m2 0 施工工期短。一般钢结构多高层建筑，每4天完成一层;钢筋混凝土高层建筑，则需6天才能完成一层。一幢40层楼房，若采用钢结构，工期可缩短3个月。 降低层高。多高层建筑内部管道较多，而钢梁允许在腹板上开洞，用以穿越管道，层高降低。在建筑总高度相同的情况下，采用钢结构，可以增加层数。 根据我国某些多高层建筑的经济分析，对于50层左右的高层建筑，考虑了自重轻、截面小、施工速度快等综合因素后，采用钢结构与采用钢筋混凝土结构，二者的工程造价基本上持平。层数再多，钢结构较经济。 (2)结构性能方面 延性大。 1976年我国唐山地震、1985年墨西哥地震和1995年日本阪神地震，都证明钢结构具有较强的抵抗强烈地震的变形能力，其破坏率和破坏程度均远低于钢筋混凝土结构房屋。 钢结构的承载能力大，梁截面高度相同的情况下，钢结构的柱网尺寸可以比钢筋混凝土加大50%左右，提高了建筑布置的灵活性。 自重轻、地震作用效应小。钢结构多高层建筑的自重约为钢筋混凝土结构的60，使基础荷载大为减小，降低了基础造价。2.1.2钢一混凝土混合结构 这类结构由钢和混凝土构件组合而成的结构，主要有钢框架一混凝土剪力墙体系和钢框架筒一混凝土核心筒(筒中筒体系)，典型的组合是外框架采用钢框架，内筒采用钢筋混凝土结构，形成钢框架一混凝土核心筒体系。 1)主要特点 结构受力 (a)钢筋混凝土核心筒或剪力墙的侧移刚度远远大于外圈钢框架，几乎全部承担了作用于高层建筑上的水平荷载，高材料强度的外圈钢框架则用来承担竖向荷载和少量的水平荷载;利用能跨越较大跨度的钢梁 (b)在筒中筒体系中，外圈钢框筒已成为具有空间受力特性的立体构件，具有较大的抗侧刚度，因而除了承担竖向荷载之外，还将分担30%-40%的水平荷载。 抗风能力 采用“钢一混凝土”混合结构后，由于钢筋混凝土墙、筒的巨大侧移刚度，从而具有较大的抗风能力，其顺风向、横风向振动加速度均较易于控制在容许限值以内，楼内人员不致感到不适。 抗震能力 钢一混凝土混合结构中的钢框架一混凝土核心筒和钢框架一混凝土剪力墙体系，主要是依靠钢筋混凝土核心筒或剪力墙来抵抗侧力，因此，其抗震能力仅稍强于钢筋混凝土结构。 结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。 施工速度比钢筋混凝土结构有所加快。 结构面积小于钢筋混凝土结构。 防护、防火维护费用较少。2.1.3型钢混凝土结构(SRC) 型钢混凝土(SRC)结构是由型钢混凝土柱、型钢混凝土梁所组成，在某些高层建筑中，也设置型钢混凝土墙或型钢混凝土筒。 1)结构特点 型钢混凝土柱可以不受含钢率的限值，在承载力相同的情况下，截面面积可以减少。 1995年日本阪神地震表明:钢筋混凝土结构高层建筑的破坏率高，破坏程度严重，而型钢混凝土结构的高层建筑，破坏较轻微。 耐火防腐性高型钢芯柱有较厚的混凝土保护层，因而其耐火极限和防腐性均高于钢结构。 兼作模板支架型钢混凝土结构中的型钢，在混凝土尚未浇灌之前已形成钢构架，已具有相当大的承载力，可用作其上若干层楼板平行施工的模板和操作平台，因而施工速度较钢筋混凝土结构快，稍慢于全钢结构。 2.2综合经济效益比较分析 在了解各种结构体系的特点后，对于结构体系的选择的更具有合理性和针对性。目前，我国高层建筑的结构方案比选中，建筑的经济合理性是非常重要的。下面主要从结构造价、结构占用面积及结构施工工期等因素对整体成本的影响作一些定量的分析，以比较高层建筑采用各种结构材料方案的综合经济效益。 2.2.1结构造价 高层建筑的造价通常由土建、装修、设备及其它四部分组成。工程项目总投资及各部分投资费用所占的比例受到多种因素的影响，如占地面积和征地价格、建筑物规模、层数、高度、装修要求和公用服务设施和设备的标准以及通货膨胀率与汇率变化等 2.2.2施工工期 施工工期对经济效益的影响主要体现在“时间即是成本”的关系上，施工工期的缩短，可使建筑物提早投入使用，可以尽快收回投资30-50层的高层钢结构可较混凝土高层结构减少工期20%-30%。高层钢结构施工速度快、工期短是这种结构体系的一个优势，时间效益对造价的补偿是不容忽视的。 2.2.3结构占用面积 高层建筑采用钢结构或钢一混凝土混合结构的结构占用面积比采用混凝土结构的结构占用面积小，建筑的有效使用面积相对增加，在销售上就能体现出其经济效益。据统计分析知钢结构、混合(组合)结构分别比钢筋混凝土结构增加使用面积6.5%和5.7%，若以成本价折算，则造价相应降低同样比例，随着高度增加，效果更为明显。 2.2.4综合经济分析 传统的造价分析方法是只比较建设期间结构本体一次投资的直接费用，这显然是很不合理的。高层结构经济性的影响因素很多，其合理的评估方法还应该充分考虑由于采用钢结构加快进度、缩短贷款期，减少贷款利息及提前使用收益等动态影响，以及因减轻结构自重而导致基础和地基处理费用降低的影响，还有增加使用面积与车位数等的影响，这样的综合造价才可能是经济的、合理的。 综上所述，高层建筑的各种结构体系必须首先满足水平荷载、侧向位移及抗震概念设计、抗风设计等要求，同时它们在结构性能、结构造价、施工速度及综合经济效益等方面有各自的优势和劣势。 3.高层建筑结构体系选型的影响因素分析3.1建筑物的功能对结构选型的影响261 建筑物的功能要求是建筑设计中应考虑的首要因素。在结构选型时应使所选择的结构形式剖面与建筑物使用空间相适应，尽可能降低结构构件的高度，才能提高空间的使用效率、节省维护结构的初始投资费用、减少照明采暖空调负荷、节省维护费用从而降低建筑物全寿命期费用。其次通过对结构体系裸露和艺术加工，将结构形式与建筑的空间艺术形象融合为一体来表现建筑美。3.2建筑结构材料对结构选型的影响 随着科学技术的发展，新的结构材料的诞生带来新的结构型式并从而促进建筑型式的巨大变革，不可避免地给建筑结构选型带来巨大的影响。 目前随着钢铁材料的发展，钢结构材料与钢筋混凝土相比，具有显著的轻质高强特点，其强度重量比指数是钢筋混凝土的5倍以上。统计分析表明，高层钢结构的自重(包括钢结构骨架与混凝土楼板)约为6- 8 kNImz，仅为钢筋混凝土高层结构自重12-14 kN/m，的一半及60%左右。 总之，综合考虑建筑结构材料对结构选型的影响，在选型时应该注意: (1)合理选用建筑结构材料。 (2)选择能充分发挥材料性能的结构型式。3.3施工技术水平对建筑结构形式的影响 建筑施工的生产技术水平及生产手段对建筑结构形式有很大影响。在手工劳动的时代，只能用小型砖石块体来建造墙柱拱，或采用木骨架的结构型式。近代大工业生产出现后，在钢铁工业及机械工业得到很大发展的基础上，大型起重机械及各种建筑机械(例如混凝土泵)相继问世。这样，使得高层建筑及大跨度建筑的各种结构形式成为现实。3.3.1先进的施工技术是实现先进结构形式的前提 如果没有先进的施工技术，想要完成各种先进的结构形式是不可能的。例如:薄壳结构是一种薄壁空间结构，主要承受曲面内的薄膜内力作用，所以材料强度能得到充分利用，同时由于它的空间作用，所以具有很高的强度和很大的刚度。因此可以采用很薄的结构厚度来建造大跨度结构，自重轻、材料省。但是在施工方面，如采用现浇的施工方法来实现薄壳结构有很大局限性，最大困难在于曲面模板耗费工料多，施工速度慢。3.3.2结构形式在施工阶段和使用阶段受力状况的差异 在结构选型中，应充分注意结构形式在施工阶段和使用阶段受力状况的差异，考虑差异之间的影响。例如升板结构在使用阶段类似于现浇无梁楼盖结构，柱与板刚接，升板结构的柱的截面及配筋主要根据使用阶段和预制柱吊装阶段的受力状况计算确定，但在板的提升阶段，楼板只是通过承重销搁置在柱上，柱与销之间的摩阻力只能传递横向力而不能传递弯矩，因此，在板的提升阶段柱板点只能视为铰接。3.3.3建筑结构方案要密切与施工条件相结合 一方面，施工技术条件不具备或选用的一结构方案不适应现有施工技术能力，将给工程建设带来困难。例如，选择装配式框架结构方案时需要认真考虑施工单位焊工技术力量，否则将给工程质量带来严重影响。 另一方面，选择结构型式时要结合施工工艺因素考虑工程的具体施工条件。同一种结构型式可以对应不同的施工工艺，而不同的施工工艺不仅影响材料消耗、劳动力、工期及造价等技术经济指标，而且会影响到结构的受力状态、抗震性能、计算分析及构造措施。3.4经济因素对于结构选型的制约 衡量结构方案的经济性的手段是进行综合经济分析。所谓综合经济分析就是要综合地从以下几个方面考虑问题:第一、不但要考虑某个结构方案付诸实施时的一次投资费用，还要考虑其全寿命期费用。第二、除了以货币指标核算结构的建造成本外，还要从节省材料消耗和节约劳动力等各项指标来衡量。此外，从人类长远利益考虑，还要特别考虑资源的节约。第三、某些生产性建筑若能早日投产交付使用，可以较快地回收投资资金更能得到较好的经济效益。因此在结构方案比较时还应综合考虑一次性初始投资和建设速度之间的关系。3.5结构设计理论的发展对结构选型的影响 新结构与新材料的不断运用与实践发展了结构理论，使人们提高了结构设计水平。而结构设计理论的发展及计算手段的改进，又反过来为解决复杂的结构设计与优选问题提供了有利条件。因此，结构设计理论的发展对结构选型的影响可从计算手段的改进与结构理论研究发展等方面分析。3.5.1计算手段的改进 在结构分析方面，随着计算机运算速度的加快和存储量的增大，使各种复杂的空间结构的线性与非线性，静力与动力问题的计算迎任而解。 仿真技术在结构工程中的应用更具有重要意义。但是，如果仅仅进行理论计算分析而缺少试验依据，在解决工程实际问题的过程中，许多不确定的及考虑不完全的因素的出现，必将在经济上、可靠度上或耐久性上产生种种不足。3.5.2结构理论研究发展对结构体系和选型的影响 在结构理论研究发展中，抗震设计理论的发展对结构选型工作有着很重要的影响。由于地震运动的随机性及复杂性，既不可能准确地划定高烈度地震可能发生的地区和范围，又不能在全国范围内普遍按照高烈度标准设防，势必给结构选型工作带来困难。为了解决上述问题我国采取“小震不坏、大震不到”的双重抗震设计准则。 随着结构理论发展地不断深入，结构选型工作也朝着综合化和复杂化方向发Unit 4展。有的学者指出未来高层建筑的发展方向之一是组合超级框架，这种组合结构体catfish n. 鲶鱼系比使用单一材料经济得多，但其发展尚有一些问题值得进一步研究。此外，建筑结构减震技术的应用异军突起和预应力混凝土的设计概念已从传统的“全预应力”过渡到“