摘要：建筑方案設(shè)計貫穿著政府的要求、業(yè)主的意愿以及建筑師的構(gòu)思, 建筑方案的好壞, 決定著結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)劣, 并最終決定結(jié)構(gòu)成本的高低。在建筑方案設(shè)計階段將經(jīng)濟性理念融入建筑方案設(shè)計中可以獲得良好的經(jīng)濟效益。筆者從地質(zhì)條件、車庫、建筑平面等幾個方面出發(fā), 對建筑方案設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)因素需要考慮的經(jīng)濟性思路進行剖析, 證實在考慮常規(guī)的建筑方案設(shè)計時, 如果在結(jié)構(gòu)因素中能主動考慮到經(jīng)濟性問題將會得到最合理的方案。
關(guān)鍵詞： 建筑方案設(shè)計; 結(jié)構(gòu)因素; 經(jīng)濟性;
1 引言
建筑設(shè)計涉及政治、經(jīng)濟、文化、科技、環(huán)境生態(tài)等方面, 高質(zhì)量的建筑設(shè)計能創(chuàng)造出適宜的工作和生活的空間環(huán)境。[1]建筑方案設(shè)計就是與項目建設(shè)的實際情況相結(jié)合來進行科學(xué)合理的規(guī)劃, 并采取合理的措施來對設(shè)計中存在的問題進行妥善的處理。[2]目前, 結(jié)構(gòu)設(shè)計更多地把關(guān)注點放在具體的問題上, 而忽視了前期建筑方案設(shè)計中的經(jīng)濟性分析。[3]政府的要求、業(yè)主的意愿以及建筑師的構(gòu)思都是通過建筑方案設(shè)計來體現(xiàn)的, 作為聯(lián)系方案與后期施工的結(jié)構(gòu)工程師, 由于設(shè)計進度、服務(wù)界面、業(yè)主經(jīng)濟性意識等多種原因, 往往不能在這一階段深度介入。因此, 與介入方案程度更淺的結(jié)構(gòu)工程師相比, 方案設(shè)計階段的建筑師對結(jié)構(gòu)投資成本的高低具有不可推卸的重要責(zé)任。建筑方案設(shè)計必須注意結(jié)構(gòu)的選型與適用, 結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要合理, 沒有選擇最佳的結(jié)構(gòu)體系肯定不是最經(jīng)濟的方案。[4]如何設(shè)計出一套在結(jié)構(gòu)成本上合理的方案, 以滿足業(yè)主經(jīng)濟性需要和社會節(jié)能減排的需要, 要求建筑師在涉及結(jié)構(gòu)因素時必須具備基本的經(jīng)濟性分析能力;但這種基本能力在教科書、建筑類專著以及建筑設(shè)計工作實踐中, 經(jīng)常被忽略, 而建筑物在建設(shè)前期進行必要的結(jié)構(gòu)方案及經(jīng)濟性分析, 可以保證項目在可控的工程預(yù)算范圍內(nèi)順利實施。[5]鑒于此, 筆者將在地質(zhì)條件、車庫、建筑平面等幾個方面, 對建筑方案設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)因素需要具備的經(jīng)濟性分析思路進行剖析。
2 結(jié)構(gòu)因素的經(jīng)濟性分析
2.1 業(yè)態(tài)布置與地質(zhì)條件
建筑的用地選擇是整個設(shè)計方案中一個重要環(huán)節(jié), 同時也是影響整個建筑項目的造價和建成投入使用后所帶來的運營成本的關(guān)鍵因素。[6]建筑方案設(shè)計會考慮到地形對方案的影響, 但鮮有建筑師會考慮地質(zhì)條件對方案的影響。缺少對地質(zhì)條件的考慮, 可能導(dǎo)致后期成本增加或工期延后, 這在地質(zhì)條件復(fù)雜的坡地或丘陵地區(qū)尤為突出。在面積較大的場地進行業(yè)態(tài)布置時, 可考慮建筑高度與高填方區(qū)域的關(guān)系。
在由高填方產(chǎn)生的邊坡附近, 總圖布置時宜考慮為多層建筑, 盡量將高層建筑遠離高填方邊坡臨空面, 因為地震對邊坡附近建筑影響很大, 而高層建筑受地震力的影響更大于多層建筑。當(dāng)高層建筑處于高填方邊坡附近時, 考慮到地震作用水平力建筑結(jié)構(gòu)與不穩(wěn)定土體的相互作用, 嚴格的結(jié)構(gòu)處理方式是采用結(jié)構(gòu)架空, 盡量減少擋墻支護。如果高層建筑架空層剪力墻需全部落地 (多層建筑為框架柱或短肢剪力墻落地) , 會導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)造價更高。根據(jù)統(tǒng)計, 僅針對架空層本身的結(jié)構(gòu)成本而言, 高層建筑架空層每平方米造價比多層建筑架空層增加約200～300元。高填方區(qū)對于結(jié)構(gòu)有利的場地剖面及高填方區(qū)對于結(jié)構(gòu)不利的場地剖面示意如圖1所示。
高填方區(qū)對于結(jié)構(gòu)有利的場地以重慶某項目為例 。別墅處于高差約30 m的邊坡上, 結(jié)構(gòu)處理方式為后院框架結(jié)構(gòu)架空。由于別墅結(jié)構(gòu)受水平地震作用影響不大, 為了節(jié)約造價, 架空層框架結(jié)構(gòu)可以沒有樓板。施工過程中采用人工挖孔的方式在半坡上施工, 無不利影響。
高填方區(qū)對于結(jié)構(gòu)不利的場地以云南某項目為例。該邊坡高度約30 m。別墅在坡底, 高層在坡頂。考慮到不穩(wěn)定土體和主體結(jié)構(gòu)相互作用, 經(jīng)技術(shù)論證, 只能將主體結(jié)構(gòu)及周邊車庫架空處理, 導(dǎo)致出現(xiàn)20 m高的大面積無任何建筑功能的架空層結(jié)構(gòu)。
2.2 高層區(qū)車庫柱網(wǎng)與地質(zhì)條件
對于車庫柱網(wǎng)的布置, 建筑師不僅需要考慮單車位面積最小化這一通用限制條件, 還必須考慮柱網(wǎng)大小與結(jié)構(gòu)成本的關(guān)系。一般有以下三種常見形式。
(1) 5.4 m×5 m的雙車位小柱網(wǎng)。5.4 m×5 m的雙車位小柱網(wǎng)適合于純挖方區(qū)。根據(jù)結(jié)構(gòu)造價的比例關(guān)系, 車庫梁板成本占總結(jié)構(gòu)成本的90%, 而柱成本只占總結(jié)構(gòu)成本的10%, 因此降低梁板跨度, 對結(jié)構(gòu)成本具有極為明顯的經(jīng)濟意義。而在挖方區(qū), 通常可以設(shè)計為淺基礎(chǔ), 基礎(chǔ)成本相對于梁板成本而言, 幾乎可以忽略不計。因此在挖方區(qū)將車庫設(shè)計為小柱網(wǎng)是最理性的選擇。
(2) 8 m×9 m的三車位大柱網(wǎng)。8 m×9 m的三車位大柱網(wǎng)適合于深回填區(qū)。比如30 m以上的深回填區(qū)域, 樁基礎(chǔ)成本和樁施工周期會成為主要考慮對象。此時增加梁板跨度來滿足樁的成本和工期是非常必要的。
(3) 8 m×5 m的三車位大柱網(wǎng)。8 m×5 m的三車位大柱網(wǎng)適合于較淺填方區(qū)和挖填混合區(qū)。這種一個方向大跨度、另一個方向小跨度的折中布置方式, 既能節(jié)約樁基礎(chǔ)數(shù)量, 也能有效控制梁板結(jié)構(gòu)造價。
2.3 地下掩埋方式與結(jié)構(gòu)嵌固
建筑師應(yīng)知道結(jié)構(gòu)高度與建筑高度存在區(qū)別。主樓結(jié)構(gòu)高度是以嵌固端起算至大屋面的高度。而嵌固端與主樓地下室掩埋方式密切相關(guān)。地下室四面掩埋時, 有條件將地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端 (是否將地下室頂板作為嵌固端, 應(yīng)會同結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)是否會超限確定) ;當(dāng)?shù)叵率掖嬖谝粋�及以上臨空面時, 通常不得將地下室頂板作為嵌固端。嵌固端確定后, 結(jié)構(gòu)高度就確定了, 結(jié)構(gòu)抗震等級也就確定了。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (JGJ 3—2010) [7], 對于剪力墻結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)高度80 m是抗震等級的分界線。因此在有條件的情況下, 將結(jié)構(gòu)高度控制在80 m的范圍內(nèi), 具有明顯的經(jīng)濟意義。
以四川某6度區(qū)高層為例 (圖4) , 各樓棟基本上為26層, 結(jié)構(gòu)高度為78 m, 抗震等級為4級。如果這些樓棟為27層, 那么結(jié)構(gòu)高度為81 m, 抗震等級為3級。而4級抗震結(jié)構(gòu)比3級抗震結(jié)構(gòu)每平方米節(jié)約鋼筋約4公斤。
2.4 結(jié)構(gòu)超限與建筑方案
以下幾種常見的建筑方案設(shè)計會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超限出現(xiàn)。
(1) 結(jié)構(gòu)高度。不同的結(jié)構(gòu)形式, 對應(yīng)不同的超限高度。這個高度一旦超限, 直接算成超限結(jié)構(gòu)。詳見《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》 (GB 50223) [8]和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 (GB 50011—2010) [9]。
(2) 平面凹凸超限。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (JGJ 3—2010) 的相關(guān)要求, 結(jié)構(gòu)平面凹進或凸出的一側(cè)尺寸與相應(yīng)投影方向總尺寸的百分比B1/B≤0.35, 結(jié)構(gòu)平面突出部分長度與連接寬度的比值l/b≤2.00, 如圖5所示。不在此范圍內(nèi)即為超限。
(3) 樓板連續(xù)性超限。樓板有效寬度占該層樓板典型寬度的百分比B1/B≥0.50, 其中有效寬度應(yīng)扣除凹入和開洞寬度, 典型寬度是指在規(guī)則平面前提下相應(yīng)的有代表性的寬度。錯層高度與錯層處梁高的比值≤1.00。樓板開洞面積占該層樓面積的百分比≤0.30, 開洞后任一方向的凈寬 (即樓板任一位置同一方向的最小板寬) a1+a2≥5.00 m, 每一邊的凈寬a1≥2.00 m且a2≥2.00 m, 凈寬不包括主體結(jié)構(gòu)懸挑部分, 如圖5所示。不在此范圍內(nèi)即為超限。
結(jié)構(gòu)超限帶來的負面影響較多, 例如:
(1) 相對于不超限的結(jié)構(gòu), 超限結(jié)構(gòu)通常帶有先天的受力不合理缺陷。在專家審查會上, 專家將對該結(jié)構(gòu)提出各種加強措施進行后天彌補, 造成結(jié)構(gòu)成本的大幅提高。
(2) 超限結(jié)構(gòu)設(shè)計難度更大, 需準備的結(jié)構(gòu)資料更多, 造成設(shè)計周期拖長。
(3) 建設(shè)單位需要在初設(shè)上會前特別地組織專家審查會, 直接延長了開發(fā)報建的時間。
(4) 如果結(jié)構(gòu)超限過于嚴重, 將無法通過專家審查會, 使建筑方案被打回修改, 導(dǎo)致建設(shè)單位損失時間。
因此對于設(shè)計市場上主流的、快節(jié)奏開發(fā)的樓盤而言, 要盡可能在方案設(shè)計階段避免結(jié)構(gòu)超限。
2.5 結(jié)構(gòu)布置與戶型
(1) 墻體錯位的影響
由于剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)墻體占鋼筋和混凝土總量的40%以上, 因此在結(jié)構(gòu)布置中, 應(yīng)盡量用梁拉通來代替剪力墻, 從而減少剪力墻的數(shù)量或縮短長度。但由于不同的墻體軸線可能出現(xiàn)錯位, 導(dǎo)致梁無法拉通, 這就不得不增加剪力墻的數(shù)量或增加剪力墻的長度。以武漢某項目為例, 圖中墻體基本無錯位, 能用梁拉通, 減少了剪力墻數(shù)量, 如圖6所示。
(2) 客廳與餐廳的分割方式
客廳和餐廳之間通常不設(shè)明梁, 因此容易導(dǎo)致此處樓板成為不規(guī)整的“異型板”, 而“異型板”對受力是不利的。結(jié)構(gòu)設(shè)計中對此位置通常需要進行加強處理, 這會造成梁板造價增加, 因此在該位置建議采用矩形板或接近矩形的板, 而不宜采用異型板。
2.6 車庫層高與梁高的關(guān)系
較低的層高和梁的截面尺寸消耗的材料少, 可以減少成本。除非為了利用車庫層高來消化場地高差, 我們在設(shè)計中應(yīng)盡量壓低地下室層高, 以取得更低的綜合造價�？紤]2.2 m的建筑凈高和0.7 m的設(shè)備高度后, 可參考如下的車庫結(jié)構(gòu)梁高估算方式。
(1) 普通車庫梁高的估算方式
現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋在大荷載 (如高覆土、消防車荷載) 和大跨度 (如8 m以上跨度) 的受力條件下能充分發(fā)揮其高強度鋼絲的優(yōu)勢, 比高強度鋼筋具有更好的經(jīng)濟性, 且有利于降低層高。以7.8 m×7.8 m的高層區(qū)規(guī)整大車庫為例, 車庫頂板在覆土1.5 m、無消防車的荷載作用下, 采用預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋比采用普通梁板樓蓋每平方米節(jié)省約200元的綜合造價。在進行車庫樓板選型和層高計算時, 可參考表1。
(2) 人防車庫梁高的估算方式
根據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范要求, 人防車庫不得采用預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋, 所以只能考慮普通梁板樓蓋。進行車庫層高計算時, 可以按以下尺寸估算最大結(jié)構(gòu)高度。
3 結(jié)論
以上結(jié)構(gòu)因素涵蓋了常規(guī)建筑物在方案設(shè)計過程中應(yīng)該考慮的各個方面, 具有很強的實用價值。當(dāng)這些因素與規(guī)劃要求、業(yè)主意愿、營銷需要、工程進度等因素矛盾時, 建議進行專題論證決定取舍, 以得到最合理的方案。建筑方案設(shè)計是設(shè)計工作的核心, 作為一名優(yōu)秀的建筑師, 在考慮建筑本身常規(guī)的問題外, 如果在結(jié)構(gòu)因素中能主動考慮到以上經(jīng)濟性問題, 并通過在建筑設(shè)計過程中的良好互動, 將會使得建筑方案設(shè)計獲得最佳的經(jīng)濟效益。
參考文獻：
[1] 鄒德儂.中國現(xiàn)代建筑論集[C].北京:機械工業(yè)出版社, 2002.
[2] 賈鑫濤.建筑方案設(shè)計過程中的設(shè)計原則及關(guān)鍵點分析[J].低碳世界, 2017, (13) , 157-158.
[3] 朱海燕.高層建筑結(jié)構(gòu)選型及其經(jīng)濟性分析[J].科技展望, 2017, (02) :224.
[4] 呂倩.初探建筑設(shè)計中的經(jīng)濟性理念[D].南京:東南大學(xué), 2005.
[5] 何偉球.某地鐵上蓋建筑結(jié)構(gòu)方案對比及經(jīng)濟性分析[J].建筑科學(xué), 2016, 32 (07) , 113-117.
[6] 呼延勁松.高層建筑設(shè)計方案的經(jīng)濟合理性思路構(gòu)架和探索[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品2016, (21) , 70-71.
[7] JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社, 2011.
[8] GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.
[9] GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2016.
