深圳某高层建筑结构方案比选与技术经济分析

张素娟

(深圳市福田区审计局， 深圳 518017)

0 引言

钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构体系是高层建筑较常选用的结构体系。钢筋混凝土结构和钢结构各具优缺点：钢筋混凝土结构整体性好，耐火性和耐久性好，造价低，施工用料取材方便，但其整体结构自重大，混凝土抗拉强度低且抗裂性差，人工消耗量大，施工工期长；钢结构强度高，自重轻，塑性韧性好，材质均匀，装配式程度高，人工消耗量小，施工工期短，但钢材易腐蚀，耐火性和耐热性差，造价高。钢-混凝土混合结构结合了两种结构体系的优点，如承载力高、抗震性能好[1]。

依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，(简称抗规)，结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基承载力、结构材料和施工条件等因素，经技术、经济和使用条件综合比较而确定[2]。为了确定深圳某高层建筑的结构方案选型，在设计过程中比较了钢框架-偏置筒体结构和传统钢筋混凝土框架-偏置筒体结构之间的差异，对比两种结构方案的抗震性能、材料用量、空间利用率、工程造价及施工工期。

1 工程概况

深圳某高层建筑项目位于广东省深圳市，地下室为大底盘，主塔楼地上31层，裙房地上9层，幼儿园地上3层；地下4层，建筑物总高度分别为148.8m(主塔楼)、43.0m(裙房)。主要使用功能有:剧院、展览厅、图书馆、文化中心、办公用房、设备用房、幼儿园等。结构模型图详见图1。

本工程主塔楼采用钢框架-偏置筒体结构体系，裙楼部分结构形式采用钢筋混凝土框架-偏置筒体结构体系，共有5项一般不规则超限项，且绝大多数为轻微超限，属于超限工程。本工程所在地区抗震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s，裙房、1～9层主塔楼及幼儿园抗震设防类别为乙类，抗震等级为特一级，10～31层主塔楼抗震设防类别为丙类[3]，抗震等级为一级[4]。

2 两种结构方案空间利用率对比

主塔楼单层建筑面积为1 319m2,筒体外墙厚度分别为600，500，400mm，最大柱距为10.5m。根据建筑布局，采用钢框架-偏置筒体结构体系、钢筋混凝土框架-偏置筒体结构体系这两种不同的结构体系分别建立模型，方案1采用钢筋混凝土框架-偏置筒体结构体系，结构标准层平面布置见图2，外框柱采用型钢混凝土柱和普通钢筋混凝土柱，型钢混凝土柱最大截面尺寸为1 500×1 500，外框梁为截面尺寸500×950的钢筋混凝土梁，内框梁为最大截面尺寸500×900的钢筋混凝土梁，楼面采用预制叠合板。方案2采用钢框架-偏置筒体结构体系，结构标准层平面布置见图3，外框柱尺寸分别为1 500×1 500(型钢混凝土柱)，1 000×1 000(钢管混凝土柱)，850×850(钢管混凝土柱)，外框梁为最大截面尺寸H950×450×16×40的工字钢梁，内框梁为最大截面尺寸H750×450×12×35的工字钢梁，楼面采用压型钢板-钢梁组合楼面。两种结构方案的楼面梁与外框柱刚接，与核心筒铰接。柱的截面尺寸及材料等级见表1，梁截面尺寸对比详见表2。

图2 方案1钢筋混凝土框架-偏置筒体结构标准层平面布置

图3 方案2 钢框架-偏置筒体结构标准层平面布置

两个方案柱截面尺寸及材料等级对比 表1

两个方案梁截面尺寸对比 表2

由此可见，方案2较方案1框架柱截面面积平均减少45.31%，内框梁梁高缩小15cm，提高了空间利用率。

3 两种结构方案抗震性能指标对比

依据抗规，对两个方案的结构进行多遇地震和50年一遇风荷载作用下的弹性分析[5]，并对结构的整体刚性指标进行统计，如表3所示。

将两个方案X向受剪承载力比进行对比，对比结果详见图4，由图可知：1)两个方案主塔楼层受剪承载力比都大于0.8，依据抗规要求，竖向比较规则；2)虽然20层与21层平面布置及梁柱截面没有发生变化，但是方案1楼层受剪承载力比为2.34(20层与21层的比值，余同)，方案2楼层受剪承载力比为1.0，相对来说方案2的标准层楼层受剪承载力比更均匀，没有发生突变，平稳过渡。

两个方案整体刚性指标对比 表3

图4 两个方案楼层受剪承载力比

依据《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92-2013)[6](简称广东省高规)，本项目水平位移角限值为1/650，根据表3统计结果，两种结构方案都能满足抗规和广东省高规的刚性指标要求，达到小震作用下“结构处于弹性状态，构件无损坏”的抗震性能目标[7]。方案1的上部结构自重比方案2的结构自重比多4.6%，方案1的柱底最大轴力比方案2的柱底最大轴力大20.8%，方案1在地震作用下X向最大层间位移角比方案2大9.5%，Y向最大层间位移角比方案2大22.47%。由此可见，方案2的上部结构自重更轻，钢框架-偏置筒体结构利用钢材的柔韧性可吸收和消耗更多的地震能量，抗震性能更优[8]。两个结构方案的各项指标都满足规范要求，主要参数也都在合理范围内，两个方案在结构上都具有可行性[9]。

4 两种结构方案工程造价及结构施工工期对比

本文对两种方案的材料用量、工程的结构造价进行统计，并根据本工程施工单位以往的项目经验统计结构施工工期，再进行比对，分析采用不同的结构体系对工程的结构造价和结构施工工期的影响，对比结果如表4所示。除此之外，方案1的施工特点为塔楼标准层部分采用预制混凝土叠合板，现浇叠合层，结构构件吊装重量大。低区转换部位梁、柱、支撑内需埋置型钢，节点施工复杂。方案2的施工特点为预制钢结构现场采用螺栓拼接，施工效率相对较高。方案2施工效率更高。

两个方案工程造价及结构施工工期对比 表4

由此可见，在本工程主塔楼单位面积结构造价方面，方案2比方案1高1 015.86元/m2，方案1较方案2工程造价更低。与混凝土结构相比，塔楼结构采用钢框架-偏置筒体结构体系可以有效缩短施工工期，本工程主塔楼标准层采用方案2可以有效节省施工工期66d，装配式施工可以有效降低施工难度，提高施工效率[10]。

5 结论

(1)两个结构方案的各项指标都满足规范要求，主要参数也都在合理范围内，两个方案在结构上都具有可行性，可落地性。

(2)基于本工程，钢框架-偏置筒体结构比钢筋混凝土框架-偏置筒体结构框架柱截面面积平均减少45.31%，每层净空多150mm。可见钢框架-偏置筒体结构可以较好地实现标准层净高与面积实用率。

(3)钢框架-偏置筒体结构上部结构自重轻，可以节约基础费用。利用钢材韧性强的优点，可吸收和消耗更多的地震能量，实现更安全的结构抗震设计。

(4)钢框架-偏置筒体结构用钢量比钢筋混凝土框架-偏置筒体结构用钢量高，工程造价成本更高。通过本工程的造价分析，比混凝土方案单方造价高1 015.86元/m2。

(5)钢框架-偏置筒体结构采用装配式施工，可以提高施工效率，本文对本工程的分析中，标准层节省施工工期约66d。

(6)如果工期不紧张，对造价要求很严格，可选用方案1；如果工期紧张，对造价要求不高的情况下，可选用方案2。