高層建筑結構選型的影響因素與選取方法,建筑結構論文

高層建筑結構選型的影響因素與選取方法,建筑結構論文在高層建筑設計中,構造設計賦予建筑物一個支撐骨架.該骨架型式及其空間關系的合理性不僅直接關系到建筑物的安全,而且關系到建筑物能否實現其預定的功能和能否到達預期的經濟效益.根據工程實踐經歷體驗,若高層建筑構造體系選型不當,同樣難以做出安全可靠、經濟合理的高層建筑構造設計.正確處理高層建筑構造體系的選型問題,對于高層建筑的設計、施工乃至使用、維護而言,都具有至關重要的意義.1高層建筑構造選型的問題當下我們國家高層建筑構造選型普遍不重視構造選型決策工作,而且缺乏一套完好系統(tǒng)、可行的方式方法來操作,僅以上部構造土建造價單一指標或幾個易于轉換成計量單位評估的定量指標來進行決策.因而高層建筑構造選型存在如下問題:第一是影響因素的不確定性.構造選型決策工作具有很強的綜合性,包含大量確定與不確定的因素,多因素共同作用的結果斷定構造的型式,需要對眾多因素做大量細致分析.對一棟高層建筑來講,按當下常規(guī)做法是不太可能得到完善合理的構造型式的.選錯構造型式,不僅會使高層建筑綜合經濟效益低下,而且使該建筑物給社會經濟環(huán)境帶來不良影響[1].第二是影響因素的多樣性.構造體系的選擇遭到眾多條件和因素影響,除了要考慮工程造價和投資能力,還要考慮所選構造型式對建筑功能的適應性、施工條件、技術能力、施工工期、建筑材料和能源供給、建筑美學要求,包括建筑群及其環(huán)境的配合,建設場地的地形、地貌、自然災禍等等.一個合理的構造型式是通過進行多目的決策,將眾多因素統(tǒng)一協調而產生.而設計人員正是缺乏這種從整體(或全局)的綜合經濟效益出發(fā)來處理構造選型問題的觀念,并由于缺乏處理模糊概念的方式方法和手段,不自覺地把不少本來為模糊的量忽略或當成確定性的,這使得設計變量和目的函數不能到達應有的取值范圍,進而導致決策結果不是真正的最滿意的.2高層建筑構造選型的影響因素分析2.1高層建筑構造選型不合理的情況及原因分析2.1.1超出建筑構造設計規(guī)范中規(guī)定的適用范圍高層建筑的各種構造體系有各自的適用范圍,我們國家(鋼筋混凝土高層建筑構造設計與施工規(guī)程〕(下面簡稱為(高規(guī)〕)給出了各類鋼筋混凝土構造房屋適用的最大高度.首先房高超規(guī).如高規(guī)規(guī)定對位于IV類場地的建筑或不規(guī)則建筑高度應適當降低.抗震規(guī)范條文講明指出:不規(guī)則或在IV類場地上的構造,適用高度一般降低20%左右.有框支剪力墻的構造,抗震的不利因素是明顯的,適用高度一般降低20%~30%.有的不規(guī)則高層建筑高度未按要求降低.其次是剪力墻間距超規(guī)主要具體表現出為框剪構造中超過高規(guī)中關于剪力墻間距的規(guī)定和在有框支墻的現澆剪力墻構造中,落地剪力墻間距超過(高規(guī)〕規(guī)定.超過的原因主要是為知足建設方對大空間的要求.2.1.2選用建筑設計規(guī)范中沒有的構造體系近年來,由于建筑功能、建筑藝術以及城市規(guī)劃的需要,高層建筑不僅在層數、高度上迅速增長,而且構造體系日益復雜多變,很多高層建筑的高度已處于(高規(guī)〕適用范圍之外.這些非常規(guī)構造往往沒有先例可依循,理論和實驗根據不夠,設計人員在沒有充分計算、試驗、論證的情況下自行創(chuàng)新出一些構造;這些構造型式本身就很可能受力不合理,更談不上綜合經濟效益好[2].2.1.3選用不合理的構造型式首先有的地方新建高層住宅采用重量大、剛度過大、地震反響力大、基礎大、造價高、工期長、不利抗震、不便使用的小開間剪力墻構造.如新建4棟23層~25層高層住宅采用小開間剪力墻構造,兩層箱形基礎,構造方案不合理,造成很大浪費.其次高層建筑與裙房用后澆縫連成整體(包括基礎與上部構造),一般裙房用框架構造,主樓用框剪構造或框筒構造或剪力墻構造.在用后澆縫連成整體前,高層建筑與裙房選用的構造型式均無問題,用后澆縫連成整體后則明顯有剪力墻布置不均勻、不符合(高規(guī)〕關于框剪構造中剪力墻最大間距的要求和剪力墻數量過少,其承當的底部彎矩小于總地震彎矩的50%等問題.2.2影響高層建筑構造選型的因素2.2.1構造受力合理性構造受力合理性包括構造能有效抗風、可靠抗震、傳力途徑明確、應力分布合理、毀壞機制合理等等.構造選型必須保證構造體系的受力合理,要根據力學要求比擬各種構造體系優(yōu)缺點,選擇出適宜的幾個構造體系,結合影響因素做分析、挑選.水平荷載在高層建筑構造設計中起控制作用,詳細到非地震區(qū),起控制作用的水平荷載就是風荷載.在風荷載作用下,高層建筑可能出現層間位移過大,導致構造體系中的承重構件如梁、柱、墻等出現不同程度損壞;或者整個構造擺動過大.因而,在非地震區(qū),十分是風荷載較大的地區(qū),高層建筑構造選型應對風荷載作用引起足夠重視,選擇時要考慮構造體系在強度、變形方面知足要求,還要使構造在風荷載作用下產生的振動控制在人對不適感的容許限度范圍之內.現有地震災禍資料及工程經歷體驗表示清楚,在知足建筑物使用功能要求前提下,地震區(qū)高層建筑的抗震安全性與經濟合理性,很大程度上取決于抗震構造體系的選型能否恰當合理.而選型是根據抗震設防標準,抗震設防標準又得根據設防烈度,設防烈度又受建筑物所在場地的地質條件影響.因地震運動的隨機性及復雜性,既不可能準確地劃定高烈度地震可能發(fā)生的地區(qū)和范圍,又不能在全國范圍內普遍根據高烈度標準設防,給構造選型工作帶來困難.實驗表示清楚,要合理選擇抗震構造體系,使設計的構造總體方案愈加創(chuàng)新和完美,精到準確的數值計算分析雖然重要,但更有賴于正確運用概念設計的思想及工程經歷體驗的定性判定[3].所以,構造設計理論及計算手段改良也是影響構造選型的一大因素.2.2.2經濟因素對高層建筑構造選型的制約我們國家的適用、經濟、安全、美觀建設方針把經濟放在重要地位,在構造選型決策時對不同構造體系進行經濟比擬具有重要性.從整體的和長遠的角度利用綜合經濟分析方式方法系統(tǒng)地考慮構造方案的經濟性.首先是不但要考慮某個構造方案付諸施行時的一次性投資費用,還應考慮其全壽命期費用;其次是除了以貨幣指標核算構造的建造成本外,還應從節(jié)省材料消耗和節(jié)約勞動力等各項指標來衡量.除此之外,從可持續(xù)發(fā)展的角度來考慮,還要十分考慮資源的節(jié)約;再次是某些生產性建筑若能早日投產交付使用,能夠較快地回收投資資金,更能得到較好的經濟效益.從能耗面分析,我們國家建筑能耗約占全國總能耗的25%~30%,隨著人民生活水平提高,建筑能耗在我們國家總能耗中所占比例還將增加.根據國內外統(tǒng)計,日常使用能耗占建筑總能耗的90%以上,因而建筑節(jié)能的重點為日常使用能耗,華而不實尤以采暖及空調耗能為主.從構造施工周期的縮短考慮,能夠使整個建筑更早地投入使用,獲得經營收入,同時還能夠縮短貸款的還貸時間,減少還貸利息.因而,即便構造方案的一次投資費用較高,可以能是經濟的方案.從構造全壽命周期費用角度考慮,在進行構造方案的經濟分析時,考慮一次性投資費用不夠全面.一幢建筑物在其整個使用壽命期內(一般為50a)會發(fā)生其它費用,如構造的一般維護、維修費用,災后的重建費用等等,這些費用的數額較大,進行構造選型決策時也應予以考慮.2.2.3施工水平對高層建筑構造選型的影響建筑施工的生產技術水平及生產手段對建筑構造型式有很大影響,主要表如今先進施工技術、建筑構造方案密切與施工條件相結合以及施工使用階段階構造受力狀況三個方面.施工技術條件不具備或選用的構造方案不適應現有施工技術能力,將給工程建設帶來困難.在構造選型時,有關設計人員應與施工單位人員溝通,共同商量解決選型中出現的矛盾.另外選擇構造型式時應結合施工工藝因素考慮工程的詳細施工條件.同一種構造型式能夠對應不同的施工工藝,而不同的施工工藝會影響材料消耗、勞動力、工期及造價等技術經濟指標和構造受力狀態(tài)、抗震性能、計算分析及構造措施.因而高層建筑構造選型中應對施工工藝連同其它因素加以全面綜合權衡考慮.3高層構造選型的方式方法高層建筑構造選型決策受眾多確定性因素和不確定性因素的影響.這些因素中有的能量化為定量指標,而有一部分要憑經歷體驗做出主觀判定,因而比擬分析備選方案應從定量分析和定性分析兩方面進行.通常,先對備選構造方案進行定量分析,然后進行定性分析,最后兩者綜合起來進行整體成本分析,選出最佳方案.整體成本分析方式方法遭到構造占用面積和構造施工工期兩方面的影響.高層建筑采用鋼構造或鋼-混凝土混合構造的構造占用面積比采用混凝土構造的構造占用面積小,建筑的有效使用面積相對增加,在銷售上就能具體表現出出其經濟效益,能夠抵消一部分因采用鋼構造而增加的費用.施工工期對整體成本的影響主要具體表現出在時間即是成本的關系上[4].施工工期的縮短,可使建筑物提早投入使用,縮短貸款建設的還貸時間,并且能提早出租增加租金收入,對整體成本的影響具體表現出在利息和租金的收益上.高層建筑采用鋼構造或鋼混構造與采用混凝土構造相比,在建筑有效使用面積與施工工期方面具有一定的優(yōu)勢,能獲得較可觀的經濟收益,進而可抵消一部分因采用鋼構造而增加的費用,進而使得工程的整體成本明顯降低.通過整體成本分析高層建筑鋼構造或鋼混構造的經濟效益主要來自構造施工工期的縮短帶來的貸款利息節(jié)約、租金收入增加.從分析中還可知,高層建筑的層數越高,這方面的優(yōu)勢越明顯.而鋼筋混凝土構造的造價低但工期長,時間成本相對要高,在超高層建筑中的綜合經濟效益就顯得相對較低.因而,當業(yè)主對高層建筑的構造材料方案進行評估時,應該對鋼構造的施工工期優(yōu)勢加以充分考慮以爭取節(jié)約成本的時機.從構造方案的整體成本出發(fā)以定量方式方法對影響整體造價的主要因素進行量化和計算,根據得出的整體成本指標直接進行構造方案的比擬、選擇.這種定量方式方法把大量的不確定性因素的影響排除在外,其決策目的函數為只追求造價(成本)最低的單目的.造成由于目的函數達不到應有的數量(這里目的函數的數量是指綜合目的函數中包含的子目的函數的個數)進而降低決策結果的可信度的后果.4小結構造選型所牽涉的影響因素是比擬多,它是一個多目的的綜合決策問題.要求在確定決策的綜合目的函數時,要盡可能多地考慮各種影響因素(包括確定性和非確定性的影響因素),并反映到詳細的子目的函數上來.一個綜合目的函數只要充分地考慮了大多數的影響因素時,得出的綜合目的函數值才有足夠的根據,最終的決策才可能有足夠的講服力和可信度.進而綜合目的函數值最高的構造方案即為能使該高層建筑的綜合經濟效益到達令人滿意的構造方案.在考慮子目的函數時由于在多個目的之間可能存在矛盾甚至可能是互斥,對一個目的來講是最優(yōu)的,對另一些