Research on the Economics and Related Problems of Super High-rise Structural Design
江华 JIANG Hua
(中建华帆建筑设计院有限公司江西分公司,南昌 330000)
(Zhongjian Huafan Architectural Design Institute Co.,Ltd. Jiangxi Branch,Nanchang 330000,China)
摘要:随着我国对外开放以来,经济得到快速的发展,建筑房地产行业也得到了迅猛的发展。超高层建筑开始慢慢地多起来,超高层建筑开始成为一座城市的地标建筑物。但超高层的结构设计带来很多问题,比如结构设计的经济性问题、结构设计的适用性问题;在市场经济下,超高层结构设计的经济性问题越来越重要,本文就超高层结构设计的相关问题进行探讨和研究,并且提出相应的对应方法。
Abstract: With the rapid development of the economy since the opening up of China, the construction real estate industry has also developed rapidly. Super high-rise buildings began to slowly increase, and super high-rise buildings began to become a landmark building of the city. However, the super high-rise structural design brings many problems, such as the economic problem of structural design and the applicability of structural design. Under the market economy, the economic problem of super high-rise structural design is more and more important. The related issues are discussed and studied, and the corresponding corresponding methods are proposed.
关键词:超高层;结构设计;经济性
Key words: super high-rise;structural design;economic
中图分类号:TU973+.3 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2019)24-0166-02
1 超高层和结构设计的概述
1.1 超高层的基本概述
超高层在以前是指建筑物超过40层或建筑物高于100米就为超高层建筑,但随着世界经济的快速发展,100米以上的建筑物越来越多,使用世界超高层建筑学会指定了的最新标准,建筑物300米以上为超高层建筑。超高层建筑一般周期长、投入资金大,一般超高层建筑物也是一个国家和地区的地标性建筑物。超高层建筑在亚洲最多,其次是欧美国家,世界上比较著名的超高层建筑物有:位于阿联酋的世界上最高的建筑物迪拜塔(哈利法塔迪拜 828米)、东京晴空塔(日本,634米)、广州塔(中国,600米)、平安大厦(中国深圳,600米)、广州东塔(中国,530米)。
1.2 结构设计的基本概述
结构设计分为建筑物的结构设计和产品结构的设计两种,其中建筑结构又包括建筑物上部结构设计和基础的设计。建筑主要分为框架结构、砖混结构、钢结构、轻钢结构等。
超高层结构设计的主要内容和步骤如下:①根据建筑设计确定结构体系和主要材料;②做好结构平面布置图;③开始选择建筑材料类型、强度等级等,并根据经验初步确定构件截面尺寸;④建筑物结构荷载计算和各种荷载下的内力分析和研究;⑤建筑荷载效应的组合;⑥构件部件截面设计。还包括一些必要的结构措施。应以结构专业的相关规范和图集为基础。
2 超高层建筑结构的经济性简述
超高层建筑设计结构经济是指建筑结构经济。它的内容包括注重经济性的建筑设计(包括范围很广的内容)。在传统的设计中,只有一系列节能措施被重视,如提高建筑材料的保温性能,提高建筑的形状系数,提高建筑材料的气密性。随着社会的发展,人们不仅从结构的角度来考虑生活环境,而且从建筑结构(如空间组织、技术组织、结构设置、能源)的经济角度来考虑生活环境。也就是说,要全面确立经济的原则和方法。
经济的目的:建筑结构的经济性,即投资相对较低的成本仪表以获得最快的效果。美国建筑师兼工程师R-B-Fuller提出的“少费多用”的原则是一个共同的原则。“多而不少”的原则是利用有效的手段,以最少的物质和资源进行投资,以最少的费用和服务,尽可能多地获得技术开发效益,以适应社会发展的新形势。在超高层的经济性原则中,经济性的目的考虑比较长远,可能需要等十年甚至几十年的时间才能收回成本。但要在建筑业可持续发展的思想中,这一原则显然是一个重要、有效、经济的方法。
3 超高层结构设计的相关问题
3.1 超高层结构设计的经济性问题
超高层结构设计经济性问题是结构设计最重要的问题之一,都是希望投入较少的费用,获取更大的效益。影响超高层结构设计的经济性问题主要有工程结构设计投入费用、超高层结构设计的材料、超高层建筑控制荷载。
3.1.1 工程结构设计投入费用
超高层在结构设计上周期长、投资资金大,所以在结构设计上要求高,请专门的团队完成。比如上海环球金融中心结构设计来自于籁思理·罗伯逊联合股份有限公司(LERA),为钢筋混凝土结构(SRC结构)、钢结构(S结构)。在结构设计上就花费了巨额投资,但如何收回这些成本,也是一个很重要的经济性问题。
3.1.2 超高层结构设计材料问题
一般超高层的材料都有这些特征:超高层建筑周期长、花费资金大,一般对材料的质量要求很高,一是强度高,耐久性好。它主要体现在用作建筑物受力构件和结构的材料中,如梁、板、框等所用材料。二是绝缘性好、隔声性能好、节能性能好。主要反映在建筑围护材料中,如墙体、门窗、屋顶等部分所用的材料。三是环境适应性广,耐久性好,使用功能适应性强。
3.1.3 超高层结构设计荷载控制
超高层建筑的荷载不同于其他建筑荷载主要受水平荷载影响,还有动态作用或动力作用的影响,使建筑物结构或结构构件产生不可忽略的加速度。在高空施工过程中,会给建筑结构增加一定的施工荷载,如电气设备的振动、室内大量砂石的放置等建筑材料,使建筑局部的荷载值远远超过允许值和设计范围。
3.2 超高层结构设计的安全性
由于是超高层建筑,所以建筑的安全性也是结构设计的重点,它不仅关系到投资者利益,也是对人民生命财产安全的负责,也关系到地区城市和国家的声誉,在结构设计上会考虑到地震、火灾、雷电、风速、恐怖袭击以及施工中工人的安全等因素。消防安全也成为结构设计中一个重点。火灾荷载是测量建筑区域内可燃物数量的参数。可燃物完全燃烧产生的热量与建筑面积之比称为火灾负荷密度。其来源主要包括:建筑材料、建筑装饰材料、管道电气设备、办公用品与生活用品等。
火灾负荷高的潜在危险因素:一方面会增加火灾温度,另一方面会产生大量烟雾和有毒气体。另一方面火灾负荷越大,火灾后建筑物燃烧所涉及的可燃物越多,燃烧释放的热量越多,环境温度越高。闪络时间越短,对人体的威胁越大。
4 超高层结构设计经济性问题策略研究
4.1 超高层建筑控制荷载问题的研究
4.1.1 竖向荷载组成及优化策略
随着建筑物高度的增加,建筑物的塔壁和塔柱自重的比例会增大,这是由于建筑物塔架横向刚度的原因,另一方面,建筑物楼层恒载的增加导致了较大的垂直荷载;建筑物楼层恒载的比例一般在20%到25%之间,这就更大了;优化楼层恒载不仅可以减轻自身的重量。进一步减小柱、墙的竖向荷载,减小地震作用具有非常大的作用。减轻建筑物塔架重量的方式有:选择比较高强度的混凝土和高强度的钢(减小柱和墙的尺寸);混合结构系统(钢替换部分混凝土);使用型钢复合地板系统;使用轻质隔墙(如轻钢龙骨隔断);以及额外静载荷的减少(如使用轻质的填充材料)。
4.1.2 风荷载研究和优化策略
风工程研究的主要方法是现场监测,这是研究风荷载最直接、最可靠的方法,但是这种方法周期长、成本高。风洞试验(可以系统地开展研究,但相似性是相关的)不能完全满足;数值模拟是风荷载重要手段和发展方向,成本比较低,而且周期短,但是目前研究取得的进展不大。高层建筑物由于楼层高、风速大、结构比较灵活,易受涡激振动因素引起的横风荷载的影响。当进气道风速增大到某一临界值时,建筑物周围会发生涡脱落,引起涡激振动。通过改变建筑物截面形状、圆弧倒棱、切角和立面开口沿高度的变化,可以降低高层建筑高度方向涡激振动的一致性,降低建筑物的横向风荷载。上海市中心有三种方式:圆弧倒棱、铰链立面和横截面。
4.2 超高层结构体系框架研究
当结构高度达到450m时,刚度重量比成为无支腿桁架管系中弱框架管的主要控制的重要数值,外框架的梁截面显著加宽。根据我国《高层建筑混凝土结构技术规范》对框架-核心筒体系的要求,外框架抗震剪力标准值不应小于结构底部剪力标准值的10%。由于框筒体系与弱框筒体系柱距较近,框架梁截面较高,外框架刚度较大,地震剪力分布较大,可满足规范10%的要求。对于高屈服E型框架-核心筒体系和巨型框架-核心筒体系的高层建筑,由于框架柱间空间较大,外部框架刚度远小于核心刚度10%的外框剪管-核心筒体系较好:巨型框架-核心筒体系高450m,基本风压为0.6kN/m2,结构在450m以下,基本强度为7(0.1g)时,结构的弹性指标由风荷载控制。当地基强度小于8(0.2g)时,形成地基。当风压为0.40kN/m2时,结构的弹性指标受地震作用控制;当结构高度达到450m时,结构的刚度重量比成为主要控制参数,应设置延伸桁架以提高结构的刚度重量比。当建筑物结构高度超过450m,软弱框架筒体和管内筒体结构体系采用较高截面的外框架梁,钢耗较大,经济性较差;巨型框架结构体系具有良好的力学性能和经济性,超高层结构体系的选择需要综合考虑。因此,在超高层工程规划阶段,结构体系的选择需要及早的干预。
4.3 超高层结构设计安全性问题的研究
核心是硬件管理好,软件管理好。
4.3.1 硬件管理
硬件就是不断提高建筑消防科学技术水平。超高层对消防设施要求极高,需要消防设施具有优良的品牌、先进的技术和完善的功能(高层建筑消防设计中三大系统——火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统、消火栓系统功能完善)。
4.3.2 软件管理
做好防火管理措施和技术措施、安全疏散指示和防火能力培训(教育、培训、考核、检查、整改)。
4.3.3 预防的基本原则
实现防火自救的最终目标。
5 总结
经济性问题在超高层结构设计中起着重要作用,如果结构设计师仍然按照传统的设计方法进行设计,显然会造成巨大的浪费。因此,开展和实现资源的合理配置和利用,节约结构优化设计理念的建设成本势在必行。建筑业的发展也是一项高效、集约的综合系统工程。因此,建筑师应首先从经济的角度出发,具有宏观合理的结构设计理念,合理确定建筑设计标准、经济措施和原则。
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