超高层建筑结构造价的影响因素分析

超高层建筑结构造价的影响因素分析

近年来，中国的高层建筑数量和速度令人惊讶。据不完全统计,我国目前正在兴建的摩天大楼(高度500英尺或152m以上)总数超过200幢,未来5年我国的摩天大楼总数将超过800幢,是现今美国摩天大楼总数的4倍。超高层建筑由于楼层数多(50层或以上),建筑面积超大,施工周期长,需要巨大投资,且资金回报期长。有关房屋造价数据表明,结构造价占房屋建筑总造价的25%左右,其比例与建造地域、建筑功能以及建筑的平面形状有关,尤其与房屋建筑高度关系密切。对超高层建筑而言,结构造价比例可高达30%~35%。因此,降低结构造价、提高结构性价比要贯穿超高层建筑结构设计过程,是结构工程师一直需要牢记在心的设计宗旨。另外,节约结构材料用量可降低碳排量,也有助于实现绿色建筑、建筑可持续发展。本文从结构工程师的角度,对影响超高层建筑结构造价的主要因素进行探讨。1结构体系经济分析安全、适用、经济是结构设计的三要素。三个要素之间既有层次关系,又相互平衡和制约。在满足前两个要素的前提下,讨论如何实现结构造价的经济性。结构造价可以用直接经济指标或间接经济指标来衡量。直接经济指标一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量(如钢材、钢筋和混凝土)。直接经济指标对任何类型的结构都是适用的。但超高层建筑具有施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点,也可用间接经济指标(如竖向构件占楼层面积比、施工可建性、社会效应、楼层净高)来补充衡量。限于篇幅关系,本文主要以直接经济指标以及施工可建性(如施工周期对投资回收影响)来判断结构设计是否经济合理。对任何一个结构体系来说,S≤R(S为效应、外部条件;R为结构具备抗力、变形要求)是必须满足的。实现结构的经济性,必须从公式的两端同时入手,才能取得最佳效果。首先,在超高层建筑中,风荷载是主要水平控制荷载,因此,减小风荷载是最有效的措施之一。其次,提高抗侧力结构的效率是节约材料用量的有效途径;不同材料的有机组合也可发挥材料各自的优点,降低结构综合造价。最后,确定合理的设计性能指标,既确保结构安全,又能满足经济要求。针对超高层建筑的结构受力和施工特点,以下就建筑体型、抗侧力结构体系、结构材料以及施工周期等影响结构造价的若干因素进行重点分析。2建筑高度的变化影响结构经济性的超高层建筑体型主要有高宽比、沿建筑高度的立面变化以及平面形状等。优化的建筑体型可以有效减小风荷载,也显著降低结构造价。2.1结构体系的设计(1)高宽比与结构刚度超高层建筑在其他条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比,而建筑物顶部的侧向位移与其高度的四次方成正比。与多高层建筑相比,超高层建筑高度增加几十倍,但房屋的进深(宽度)最多增加几倍,其高宽比要大很多,位移控制以及顶部舒适度就会成为主要问题。因此,为了增大超高层建筑抵抗水平力和侧移的能力,增加建筑的有效宽度是最有效的。增加建筑的有效宽度可以直接减小倾覆力矩产生的拉压力,从而节省材料,而结构刚度大幅提高,结构侧移按有效宽度三次方的比例减小。悬挂结构体系的抗侧力结构一般由内部筒体承担,其高宽比一般较大,结构抗侧刚度较弱,很少应用于超高层建筑。另外,常规框架-核心筒结构的倾覆力矩和水平剪力主要由核心筒承担,外框架承担比例较低,因此,核心筒的高宽比更能真实反映其受力特征,往往比建筑物的名义高宽比更有参考意义。(2)高宽比与结构横风向作用超高层建筑物的高宽比也显著影响横风向的风荷载。以某细柔的超高层建筑为例(图1),其主体结构高度约为167m,平面呈正方形,原方案设计的外形尺寸为16.8m×16.8m,结构的高宽比约为10。初步风洞试验表明,其横风向的基底弯矩约为顺风向的3倍,横风向效应非常明显。优化方案将建筑平面尺寸调整为18.0m×18.0m的正方形,结构的高宽比减小为9,基底剪力减小幅度为50%。其主要原因是影响横风向共振的主要参数为结构频率折算值n1:式中:f1为高层建筑横风向第1阶频率;B为高层建筑的迎风面宽度;UH为高层建筑的顶部风速。n1与结构的迎风面宽度以及结构自振频率密切相关。结构高宽比同时影响上述两个参数,在建筑体型的优化过程中是最关键的因素。建筑物的高宽比也显著影响结构侧移的组成。以悬臂结构为研究对象,在假想均布风荷载作用下,弯曲变形与剪切变形的比例随建筑物高宽比的变化见图2。从图可以看出,当建筑物高宽比达到6时,剪切引起的变形(有害位移)与弯曲引起的变形(无害位移)比值为1∶11,即结构顶点位移中有害位移仅占8%。上述简化分析表明,当建筑物高度较高且高宽比较大时,其结构层间位移控制标准可适当放松,仅需满足非结构构件变形要求即可,而此标准通常为h/200(h为建筑层高)。2.2超高层结构材料的方面特性锥形内收的建筑体型,一方面通过截面沿高度的不断收缩变化,可显著减小风荷载作用下的漩涡脱落和横风向效应,另一方面可提高结构抵抗水平力的效率,体现在以下两个方面。(1)有效抵抗倾覆力矩在水平荷载作用下,高层建筑的倾覆力矩可简化如图3(a)所示。超高层建筑锥形内收的体型基本符合其倾覆力矩的分布规律,结构材料的效能充分得到发挥,如图3(b)及图3(c)所示。(2)提高结构抗侧力刚度锥形化体型的超高层建筑,外框架柱略微倾斜,可以减小框架的侧移。这样,在相同的体积下,锥形框架可以比矩形框架建造得更高。用简化计算对三个分别为16,32和40层的三开间建筑物进行研究,倾斜部分的高度分别为1/2高度和全高(图4)。研究表明,40层框架的相对侧移减小得最多,因为其高宽比最大。当外柱的斜率为8%时,可使40层框架的侧向位移减小50%。另外,对一个外柱倾斜角度86.7°的巨型框架模型进行分析,在水平荷载作用下,由于巨柱倾斜,巨柱轴力分解产生的水平分力约为楼层水平总剪力值的40%左右。这表明由倾斜巨柱的轴力来抵抗水平剪力是非常有效的。2.3体型优化措施风荷载是超高层建筑的主要控制水平荷载,合理的建筑体型可有效减小风荷载,尤其可降低高宽比较大的建筑物的横风向作用。(1)“卸风”体型随建筑高度增加,风荷载以指数级增长。建筑物顶部的风荷载引起的倾覆力矩占基底倾覆力矩的比例较大。因此,在建筑物高区立面开设一些洞口,减小迎风面面积,对减小基底风荷载以及倾覆力矩作用非常明显,如图5所示。(2)扭转体型对横风向引起的风荷载以及顶部舒适度,沿高度不断扭转建筑体型则是非常有效的方式。增加建筑物的扭转程度可导致涡漩脱落之间的相关性减小,从而降低横风向动力响应。芝加哥螺旋塔(图6(a))的扭转体型可减小顶部加速度约80%。上海中心大厦(图6(b))旋转120°扭转体型,与传统的不扭转、规则的箱体体型相比,可降低风荷载60%。初步估算表明,上海中心大厦优化后的建筑体型可节约结构造价6000万美元。(3)其他减小横风向措施超高层建筑采用流线形平面、建筑角部钝化、沿高度逐步退台以及立面设置导流槽等体型优化措施均可以有效降低横风风荷载,从而取得可观的经济效益。此外,通过建筑物朝向优化,使大楼空气动力响应最不利的风向远离当地主要的强风风向,从而使抵抗风荷载效果达到最大。当然,这些措施的改进需要详细风洞试验结果来评估。3结构体系3.1结构体系效率在水平荷载作用下,超高层建筑的倾覆力矩与高度的关系表明,结构材料用量随建筑高度非线性急剧增加。因此,提高抗侧力结构体系的效率是降低结构造价的主要途径之一。FazlurKhan认为,高效的抗侧力结构体系其侧向变形应仅仅由柱的缩短和拉伸引起。抗弯框架构件的弯曲变形和剪切变形只会降低结构的效率,导致额外的结构材料和造价。FazlurKhan定义的结构效率为柱缩短和拉伸引起的侧向位移占结构总侧移的比例,结构总侧移包括剪切变形、弯曲变形以及柱拉伸和缩短引起的变形。对于超高层建筑来说,100%的效率值只有当建筑物简化为纯粹的悬臂构件才能实现。由于抗侧力结构体系中不可避免地存在剪切变形,对于超高层建筑来说,80%的结构效率值是比较理想的。西尔斯大厦初步设计方案采用框筒结构体系,结构效率只有61%,后来通过引进建筑内部密柱深梁的框架形成束筒体系,其结构效率达到78%,基本达到了80%的目标值,从而有效降低了结构造价。金茂大厦结构体系的结构效率为70%,表明其巨柱伸臂体系的效率已优于框筒体系,与束筒的效率基本相当。反之,普通梁柱刚接的框架结构效率为15%~20%左右,表明其侧向位移主要由梁柱的弯曲变形引起,抗侧力体系效率不高。对北美100层左右的超高层钢结构的用钢量统计(表1)也表明,抗侧力结构体系效率与结构用钢量直接相关。巨型支撑筒体和束筒体系的结构效率值比框架支撑和框筒体系相对较高,结构用钢量也相应减小。3.2结构材料的影响超高层建筑中楼盖体系的结构高度对结构造价也有较大影响。以60层建筑为例,楼盖结构高度每增加30cm,累积起来结构的总高度就增加了18m,风荷载和地震作用就会大大增加。除此以外,电梯、立面围护系统以及其他机电设施的造价都要相应增加。此外,楼盖跨度大小也是影响承重结构材料用量的主要因素。另外,对于中等烈度(设防烈度7度)以上地震区的超高层钢筋混凝土结构而言,混凝土固有的巨大质量使抗震设计更为严峻。因此,结构自重较轻的楼盖体系、轻质混凝土楼板、轻质建筑围护及隔墙材料应在方案阶段优先考虑。此外,楼盖体系的结构重量也会累加,加上结构自重较大的楼盖体系要求截面更大的竖向构件,这些荷载往下传递,从而大大影响基础造价。在软土地基地区,地下结构(含基础)造价占结构总造价的比例大约为30%。因此,减轻楼盖体系的结构自重对提高结构经济性也很有意义。4结构材料选用判别结构所用材料的经济性,不能单独地将钢结构与混凝土结构的造价相比较,而必须考虑所有影响造价的因素。在超高层建筑的结构总造价中,结构材料直接费约占50%左右,另外50%为现场安装所需劳动力和设备的间接费用。因此,在结构材料选用时,除了节省结构材料用量外,还应考虑结构材料的施工特点,价格(如钢筋、钢材的)波动以及是否适合当地具体条件、材料供应、人力、技术和管理状况。如在路途遥远或不易达到的工地进行大型工程施工时,钢结构是唯一的适合材料。如在城市闹市区施工场地狭小,选用钢结构可能是一个决定性的条件。4.1结构造价差异钢结构具有材料强度高、自重轻、施工工期短、建筑有效使用空间大以及施工受气候条件影响小等优点,但其造价比钢筋混凝土结构高。然而这一差价常因采用钢结构后,由于结构自重轻而降低基础造价、增加建筑适用面积和缩短施工周期等得到相当程度的弥补,从而提高工程的综合经济效益。建筑高度越高,楼盖跨度越大,钢结构的综合经济效益愈发明显,与钢筋混凝土结构造价差异进一步减小。钢结构的造价一般包含三部分,即钢材费用、制作和安装费用以及防火防腐涂料费用,三者比例一般为45%∶35%∶25%。因此,当采用钢结构时,简单的构件截面形式、简洁标准的节点连接构造、轧制H型钢的推广、规格相对少的钢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装费用和附加费用,从而降低钢结构的总体造价。另外,特殊条件下的节点形式,节点板的用钢量增加也不容忽视,如超厚板采用高强螺栓连接以及斜交网格结构的连接节点等,节点板用钢量占构件理论用钢量的比例可高达30%。表2给出了北美不同时期钢结构建筑用钢量的比较,以了解钢结构建筑的大致结构造价。从表中统计可以看出,1966年以后设计的高层建筑用钢量明显低于1965年以前设计的,31层以上建筑用钢量下降35%~43%;在1965年以前设计的高层建筑结构用钢量随建筑高度增加用钢量也相应增加,而1966年以后设计的高层建筑结构用钢量随建筑高度增加保持不变。由此也可见,1965年之前,抗侧力结构体系比较单一,而随着时代发展,新型高效的抗侧力体系应用日益广泛,也间接验证了结构用钢量与结构效率以及建筑高度的关系。4.2超高层建筑的建设钢筋混凝土结构具有刚度大、固有阻尼大、防火性能好等优点,且造价与钢结构相比相对较低。但其结构自重较大、抗拉强度低以及施工周期长的特点,在高地震烈度区、软土地基地区以及高宽比较大的超高层建筑中应谨慎采用,在投资利率较高的时期也应慎重选择。在钢筋混凝土结构总造价中,混凝土作为材料所占费用相对较小(大约15%~20%),而钢筋则占造价的较大部分(20%~30%),造价的最大部分是模板和临时支撑(30%~60%)。模板和钢筋工程中人工成本占较大比例。近5年来,我国建筑业人工成本已增加一倍以上。因此,随着我国劳动力成本的进一步提高,钢筋混凝土的造价将稳步提升,与钢结构造价的差异将日益减小。4.3使用钢量下降钢-混凝土混合结构是在同一结构体系中,钢与钢筋混凝土两类结构的构件并用,充分利用两类结构的优点,弥补两类结构的缺点,相互取长补短,从而取得更佳的技术经济效果,使用钢量进一步下降。钢-混凝土混合结构结合了钢结构和钢筋混凝土材料的优势,成为现在超高层建筑最常用的结构形式。此外,如型钢混凝土柱、钢管混凝土柱以及钢-混凝土组合梁等组合构件也大量应用在超高层建筑中。目前,组合结构以及混合结构在超高层建筑中广泛应用。据不完全统计,在目前100幢最高的超高层建筑中,纯钢结构只占了24%,而在1990年纯钢结构比例高达57%。近年来建成的最高的超高层建筑,如马来西亚双塔、台北101大厦、上海环球金融中心以及迪拜塔等均采用了混合结构。5双施工面结构体系的构造超高层建筑由于标准层建筑面积大,楼层数多,因此总施工周期普遍较长。按建筑标准层7天1层的施工速度,建筑高度300m、楼层数70层的超高层建筑上部结构施工周期在1年半左右。施工周期的缩短,意味着建筑可提前投入使用,提前出租,增加租金收入,业主可尽早获取投资回报,缩短还贷时间。因此,考虑结构总造价时,加快施工速度、缩短施工周期也是提高结构经济性的因素之一。以中东海湾地区为例,2008年期间其建筑领域的投资年利率达到18%。因此施工周期是当地超高层结构设计中需要考虑的最关键因素之一。典型的超高层建筑施工工艺普遍采用“双施工面”形式,即塔楼的钢筋混凝土核心筒采用滑模先期施工至底面以上几十米以上高度,其高度已超过周边较为复杂的裙房结构的屋面标高,后续裙房和塔楼外框结构可从地面层开始施工。这样,两个不同高度的施工工作面可以同步施工,大大缩短了主体结构的施工周期,减少了土建投资。超高层建筑结构的经济性很大程度上取决于施工方法以及由其带来的施工周期长短。因此,在选择超高层建筑的抗侧力结构体系时,除了追求结构体系的效率外,其采用的施工方法和安装过程也是非常重要的。以下以天津津塔项目为例,说明施工周期的缩短与结构体系选择的密切关系。天津津塔为办公建筑,地上75层,建筑高度为336.9m(图7)。塔楼的主要抗侧力体系由“钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系(SPSW)+外伸刚臂抗侧力体系”组成。原设计SPSW不承担竖向荷载,仅由框架柱承受竖向荷载,以确保在地震时,即使钢板因张力场效应而出现屈曲,结构也有足够的能力承受竖向荷载。因此,原设计要求SPSW在主体结构封顶后延迟安装。此方案需要延长施工周期6个月,工期不能满足业主预期要求。优化设计对SPSW施工顺序进行了调整,采用SPSW延迟主体结构15层(例如:主体结构混凝土浇捣到16层完毕后,第1层钢板剪力墙开始紧固安装)的安装方案。为了防止SPSW在竖向荷载作用下发生屈曲,对部分钢板剪力墙钢板厚度进行了加厚且采用竖向加劲肋进行加强。最后满足业主工期要求的钢板剪力墙及加劲肋方案仅比原设计SPSW用钢量增加500t。按照国内钢结构造价,仅增加结构费用600万元,但对于投资几十亿的项目来说,提前6个月结构封顶,光利息一项就可以节约造价上千万元。上述两个实例表明,结构造价与施工周期密切相关,尤其对于层数较多、投资较大的超高层建筑。在结构概念设计和初步设计阶段,施工可行性与结构体系选型应放在同等重要的地位予以考虑。6统计结果分析图8给出了目前国内在建(部分已使用)的部分超高层建筑的结构用钢量指标(单位面积用钢量,不包含钢筋用量)。这些超高层建筑大多分布于上海、北京、天津、广州等大中城市,建筑高度在300m及以上,建筑功能主要为办公、酒店或公寓等多功能用途。基于目前国内超高层建筑结构体系90%以上采用混合结构体系的现状,选取的工程以钢-混凝土混合结构类型为主,即核心筒采用钢筋混凝土剪力墙,外框采用组合结构框架(SRC或CFT),楼面体系为钢梁上铺混凝土组合楼板。为了便于对比,也给出了北美类似高度的超高层纯钢结构用钢量指标。统计分析结果可以得出以下结论。(1)单位面积用钢量与建筑高度、结构高宽比以及抗侧力结构体系密切相关。正如前文分析,建筑高度越高,结构高宽比越大,单位面积结构用钢量越大。结构体系的效率高低也直接决定了结构用钢量的指标,如外框采用支撑筒或斜交网格的结构用钢量相对较低。(2)初步统计表明,框架柱(巨柱)、伸臂桁架和环带桁架用钢量占结构总用钢量分别为30%和15%左右。框架柱(巨柱)型钢含钢率高低、核心筒采用组合钢板剪力墙等也影响钢结构用钢量指标。如巨柱采用圆钢管混凝土形式可显著降低用钢量。(3)不同建造地域的超高层建筑用钢量差异较大,表明风荷载或地震烈度也是影响结构用钢量的主要因素。武汉、重庆、无锡等区域用钢量为低值,北京、天津和上海等用钢量为高值。结构用钢量应在同等的水平荷载作用下进行对比才有意义。(4)与北美纯钢结构相比,我国混合结构的型钢用钢量已达到或高于其钢结构用钢量。这与我国规范体系的结构设计指标,如结构位移控制、基底剪重比以及外框承担地震水平力比例等要求过于严格或不合理相关。另外,结构较为严重的抗震超限程度以及不切实际过高的抗震性能目标(强调中震、大震下的性能)也是增加用钢量的一大因素。以目前应用较多的巨型框架-核心筒