建筑房屋鋼結構與混凝土結構的技術經濟性對比分析

嚴峻

（合肥學院 230601）

前言

在建筑行業成本與質量是業主及建筑商最為關注的問題，如何在有限的成本下保證施工的質量與成本是我們一直探索的問題。質量控制包括材料、人員、設備等，其中最重要的就是材料，在合理材料下，只有合格的、多方面性能優良的材料才能使建筑的質量進一步的提高。對于成本來說，主要的包括人員、資金、效率、材料這幾方面，而在當代對于成本的控制就在于如何能快速的建立工業化、標準化的建筑材料，能在最短的時間內完成施工并降低材料的費用。從質量及材料來說鋼結構能同時達到這兩方面的要求，具有較高的技術經濟性。當前我國正積極的推進低碳理念，在建筑行業，我國當前磚的生產量約為世界總量的50%，水泥生產總量約為世界總量的33%，而這需要毀田15萬畝，消耗標準煤7000萬t。同時磚和水泥都是不可再生材料，很難回收處理。所以，當前需找一種低碳環保、技術經濟性高的建筑方式成為國民經濟發展的重要途徑。

1 我國鋼結構發展現狀

當前我國的工業大幅度的進步，鋼產量不斷的增加，具備了供應市場需求的能力。由于我國人口眾多以及城鎮化的客觀要求，我國的高層建筑不斷增多，而這促進了鋼結構的發展進程。鋼結構的科學研究、設計施工等方面都取得了較大的突破，如以金茂大廈為代表的超高層建筑和以鳥巢、水立方等為代表的空間結構都取得的較大的成就。相對來說，鋼結構受力較為合理、剛度大、重量輕、構件較為單一，且制作方便，能滿足高空間、多建筑形式的要求，對于建筑藝術的發展具有重要的推進作用[1]。

概括來說，鋼結構主要有以下優勢：①鋼結構具有更好的延性，在動力沖擊荷載作用時能吸收較多的能量，降低脆性的危害程度，所以抗震性能較好；②自重較輕，能根據設計和使用的要求靈活的分割空間。且結構自重的降低能減少地震的作用和小結構構建的設計內力，同時降低基礎造價。如高層混凝土結構的自重在1.5～2.1t/m2左右，而高層鋼結構的自重基本上都在1t/m2以下；③鋼結構構件一般在工廠完成，具有較高的加工精度，可保證質量，且占有面積相對較少，增加了凈使用面積；④相對于混凝土結構，鋼結構的運輸安裝量相對較少，柱子施工一般3～4層為一個施工段，一次吊裝施工，可進行立體交叉作業，提高了建筑的工業化出程度，縮短了工期；⑤鋼結構的結構空間中有很多的孔洞和空腔，為管線的布置提供了方便，增加了建筑的凈高；⑥在我國工業化進程及城市化不斷加快的背景下，勢必會大規模的對建筑進行改造，所以會加大拆除舊建筑的規模。鋼結構除了具有更方便的拆除性外，能夠回收再利用，具有較好的環境和經濟效益[2]。

鋼結構具有結構性能、使用功能和環保方面的價值，但傳統的混凝土結構具有經驗豐富、配套技術完善、成本預算準確、經濟效益確定性高的優勢。所以，哪種結構具有較高的技術經濟性，在不同的地震設防烈度區兩種結構的技術經濟指標會不會發生變化，都需要我們認真的考慮，需要我們對兩種結構的技術經濟性進行認真的對比分析。

2 建筑房屋鋼結構與混凝土結構的技術性對比

技術性的比較需要建立合理的計算模型，本次比較以當前較為常見的框架核心商業住宅樓為原型，確保分析結構具有更高的適用性。同時，分析不同結構體系的技術和經濟指標，使分析結果具有普適性。所以模型應能同時承載兩種不同結構形式，具有可比性。

所選模型為地上28層，地下2層，正方形平面，建筑總高度97.2m，外側抗測力構建軸線平面尺寸為32m×32m，場地粗糙度為B類，如圖1所示。

設計規范采用《建筑結構可靠度設計統一標準》、《建筑地基基礎設計規范》、《建筑結構荷載規范》等國家標準；主要設計參數采用安全等級及抗震設防，抗震設防烈度為6和7度，風荷載基本風壓為0.66kN/m2，混凝土強度為C15～C50，鋼材型號為Q345。比較分析及參數控制采用中國建筑科學院PKPMCAD工程部編著的“高層建筑結構空間有限元分析設計軟件—SATWE”及“PMSAP”進行[3]。計算包括混凝土容重、鋼材容重、水平力夾角、豎向荷載計算、地震力計算、特殊荷載計算、風荷載計算等多項內容。兩種方案的基本界面和材料等級對比如表1。

圖1 建筑模型結構

表1 兩種結構基本界面和材料等級對比

根據相關結構的分析比較，在6～7度的情況下，混凝土方案在地震增大的時候截面尺寸相應增大，在豎向構件上，基本增加8%左右，在截面的對比方面，鋼結構在抗側—核心筒配筋方面有所增大，強度標號有所提高，在梁板柱截面等方面均無顯著差異，說明混凝土結構相比于鋼結構對地震的反應力更為敏感。在地震荷載增加的情況下，混凝土結構最大內力始終有地震荷載決定，而鋼結構重量較小，控制內力由風荷載轉為地震荷載。當地震設防烈度從6上升為7的過程中，兩種結構的地震力和傾覆力矩都上升到初始程度的兩倍。混凝土的配筋率會隨地震強度的增加而增加，豎向構件率上升到原有的1.5倍，但鋼結構的變化較小，說明鋼結構具有更好的延性，抗震能力更好。

在空間利用率上，鋼梁的界面高度相對較小，在樓層凈高固定的情況下，鋼結構的樓層高度相對較小，減少了外圍保護和內墻的面積，且節約了空調能源，減少建筑維護、使用費用。同時在總高度確定的情況下，鋼結構可比混凝土結構多一層，增加建筑面積1100m2，具有更好的使用功能。

3 建筑房屋鋼結構與混凝土結構的經濟性對比

根據模型和相關計算軟件的分析，在當前技術水平下，混凝土的核心筒結構單層的施工時間為6～10d，而鋼結構核心筒結構的單層施工時間為2～4d，也就是說，只從地上建筑的設計來看，鋼結構可比混凝土結構節省180d的工期，在經濟效益上使用時間提前，工期縮短，減少了貸款利息等，具有更高的經濟利益。從工程造價上說，鋼結構在使用材料方面更具優勢，見表2。

表2 兩種結構主要使用材料對比

以此計算相關工程造價，可發現在地上部分，鋼結構每平方米的工程造價約比混凝土結構的工程造價節省28%左右，地下部分兩種結構造價無顯著差異，在基礎部分，鋼結構的工程造價比混凝土的工程造價節省33%左右。同時有效使用面積的增加也會帶來一定的經濟效益。

4 結語

經過本次的分析對比，發現整體上鋼結構的工程造價要比混凝土結構的工程造價少20%左右，同時由于工期的縮短，會減少相關的貸款利息，增加了建筑的收益。從技術性上來說，鋼結構具有安裝方便、抗震能力強、質量容易控制等優勢，能更好配合當前市場需求。綜上所述鋼結構具有更好的實用性以及經濟技術性，應在建筑行業推廣，加快相關配套設施的建設。

[1]張茶子.結構體系綠色度的評價標準構建研究及定性分析[D].遼寧工程技術大學，2013.

[2]莫濤.鋼結構交錯桁架體系的彈塑性全過程分析理論與試驗研究[D].湖南大學，2003.

[3]王振山.單層單跨變截面門式剛架結構梁柱節點與結構整體抗震性能研究[D].西安建筑科技大學，2013.