汕尾市某超高層商業(yè)建筑的結構方案選型

梁釗浩

（廣東博意建筑設計院有限公司，廣東 佛山 528311）

近年來，在我國科學技術水平不斷提高的背景下，建筑業(yè)得到迅速發(fā)展，超高層建筑越來越多，其中很多都采用了型鋼與混凝土的混合結構。雖然建筑工程成果多，但部分工程在結構方案選型合理度、經(jīng)濟性、節(jié)能環(huán)保、減小耗材等方面成效還有所欠缺。如何在沿海高風壓地區(qū)對超高層建筑進行結構合理選型、優(yōu)化建造，是建筑產(chǎn)業(yè)優(yōu)化發(fā)展不可忽視的問題。文章對在汕尾市即將建造的一個超高層商業(yè)建筑的結構方案選型進行比對論述，探討最優(yōu)設計方案，在提升結構穩(wěn)定性與安全性的同時，實現(xiàn)綠色節(jié)能施工的目標。

1 結構選型誤區(qū)及實例概況

有些設計人員認為超高層高于常規(guī)高層，構件截面會很大，應優(yōu)先采用混合結構，然而事實上并非如此。在總高度不太高、風壓大的沿海地區(qū)，采用普通混凝土結構可能會更經(jīng)濟合理。

某工程建筑高度為179.85m（其上有10m大構架層，總高達190m），地上塔樓41層，地下室2層，層高主要為3.6m、4.2m、4.8m，設3個避難層，平面寬度為34m，平面示意圖如圖1所示。抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為一組，場地類別為Ⅱ類。

圖1 標準層模板圖（單位：mm）

該工程處于濱海地區(qū)臨海位置，具有風壓大、地面粗糙度不利的特點。基本風壓w0=0.85kN/m2，A類地面粗糙度，建筑物體形取1.4。經(jīng)試算，水平風荷載對結構截面、配筋起主要控制作用。

《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012 ）第8.5.1條要求，建筑高度＞150m或高寬比＞5的高層建筑可出現(xiàn)較為明顯的橫風向風振效應，需考慮橫風向風振的影響。該超高層商住樓（以下簡稱塔樓）無論高度還是高寬比均滿足此要求，需考慮橫風向風振的作用。根據(jù)廣東省《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（DBJ 15—92—2013）（以下簡稱《高規(guī)》），用插入法算得層間位移角的限值為1/596，結構頂點風振加速度限值alim=0.15m/s2[1]。按規(guī)范取值進行模型試算，風荷載作用非常明顯。

2 結構體系論證比選

普通混凝土結構與組合結構各有其優(yōu)缺點[2]。普通混凝土結構的優(yōu)勢：（1）成本低：做法常規(guī)普遍，材料及施工成本均較低；（2）剛度大：水平荷載作用下側(cè)移較小；（3）防火及防腐蝕性能好；（4）施工作業(yè)面及塔式起重機的使用率要求不高。劣勢：（1）質(zhì)量重，所需截面大；（2）需大量腳手架及模板。

鋼砼組合結構的優(yōu)勢：（1）質(zhì)量輕，所需截面小：豎向構件截面減小，提高建筑空間使用率；水平構件截面小，提高建筑使用凈高。（2）環(huán)保性好：部分構件可工廠化生產(chǎn)；拆除后鋼構件可回收利用。（3）型鋼（鋼管）混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構，其最大適用高度高于普通混凝土結構。劣勢：（1）材料成本及施工成本均較高；（2）需增設對應的專業(yè)技術人員及對應的施工器械設備；（3）外露鋼構件的防火及防腐蝕性能差，防護要求高，需定期作檢查維護[3]。

2.1 方案比選

方案1：普通鋼筋混凝土結構。采用普通鋼筋混凝土結構框架-核心筒體系，鑒于建筑高度符合：130m＜179.85m＜180m，屬B級高度超高層建筑。此方案優(yōu)點：施工方便、造價便宜、質(zhì)量可靠、檢測方便。缺點：梁柱截面大。

方案2：型鋼（鋼管）混凝土柱+混凝土梁結構。采用型鋼（鋼管）混凝土柱+鋼筋混凝土核心筒+混凝土梁體系，根據(jù)《高規(guī)》第11.1.1條條文說明，此類結構不宜視為混合結構。按混凝土結構考慮，和方案1同屬B級高度超高層建筑。此方案優(yōu)點：柱強度高、截面小、抗震性能好。缺點：（1）若采用鋼管混凝土柱：①鋼管混凝土的節(jié)點牛腿影響美觀；②橫隔板和上下柱連接煩瑣，并且穿心板會影響混凝土的澆搗；③鋼管的焊接制作較普通鋼結構要求更高，難度大；④鋼管內(nèi)混凝土澆筑質(zhì)量難以檢查。（2）若采用疊合柱，施工較鋼管混凝土柱更難、造價更高：①鋼管中心混凝土配置困難，對施工的密實度和收縮性要求高；②框架梁配筋多，且需穿鋼管，鋼管開孔數(shù)量多，位置、尺寸、精度要求嚴格，施工困難，特別是對于非垂直方向的梁鋼筋定位更為困難；③繞過鋼管的梁鋼筋需彎折，由于彎折數(shù)量多、強度高，彎折困難；④材料及施工成本高：總用鋼量高，材料單價高；工序多，技術人員及專業(yè)設備配置高。疊合柱節(jié)點示意圖如圖2所示。（3）若采用型鋼混凝土柱，施工較普通混凝土柱困難，造價也高：①框架梁配筋多，且需穿型鋼，型鋼開孔數(shù)量多，位置、尺寸、精度要求嚴格，施工困難，特別是對于非垂直方向的梁鋼筋定位更為困難；②繞過型鋼的梁鋼筋需彎折，由于彎折數(shù)量多、強度高，彎折困難；③材料及施工成本高。

圖2 疊合柱節(jié)點示意圖（單位：mm）

方案3：型鋼（鋼管）混凝土柱+鋼梁（或組合梁）結構。采用型鋼（鋼管）混凝土框架（鋼梁）-鋼筋混凝土筒體系，屬混合結構，179.85m＜190m，高度符合規(guī)范要求，不用做超限審查[4]。此類結構一般適用于地震力大的地區(qū)，通過減少截面有利于減輕重量、減少地震力。此方案優(yōu)點：強度高、截面小、抗震性能好。缺點：（1）若采用鋼梁：①剛度小，水平力由風荷載控制，側(cè)向位置不滿足規(guī)范要求；②梁高+板厚和普通混凝土梁差不多，不具優(yōu)勢。③造價比混凝土梁高：需全高設置型鋼（鋼管）柱，鋼結構量多，防火防腐費用高。（2）若采用組合梁：①需要特定的剪力連接件和專門焊接設備和專門焊接技術人員；②與鋼結構相比，還有一定量的二次防火設計；③由于壓型鋼板阻止混凝土收縮，在混凝土初凝期易出現(xiàn)臨時裂縫。

2.2 比選結果

綜上，3個方案具體如表1所示。

該工程塔樓高度＜180m，主要墻柱距＜10m，總高度不高，柱距不大，地方基本風壓高，組合結構方案優(yōu)勢不明顯。綜合考慮結構性能、造價、施工難度、施工周期及使用功能效果等方面，普通鋼筋混凝土結構（方案1）最具有優(yōu)勢。

表1 結構方案對比表

3 結構優(yōu)化措施

3.1 進行風洞試驗

風洞試驗獲得的風荷載普遍小于按照規(guī)范計算的風荷載，這是因為規(guī)范制定時需能涵蓋住各種不利的工程情況，但無法考慮工程的具體環(huán)境。采用風洞試驗的風荷載，可以優(yōu)化梁、墻、柱等構件截面，獲得良好的使用空間效果，有效地降低結構成本。風洞試驗提供的建筑物風荷載不僅能優(yōu)化高層建筑主體結構的成本，也能降低高層建筑外圍幕墻結構成本[5、6]。

3.2 利用構造措施縮小柱截面、優(yōu)化空間使用

根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 3—2010）第6.4.2條及表注4、注5：對普通混凝土柱，沿柱全高采用井字復合箍，箍筋間距不＞100mm、肢距不＞200mm、直徑不＜12mm，軸壓比限值可增加0.10；當柱截面中部設置由附加縱向鋼筋形成的芯柱，且附加縱向鋼筋的截面面積不小于柱截面面積的0.8%時，柱軸壓比限值可增加0.05。可利用此兩點措施進一步縮小柱截面，提升建筑空間使用效果。

4 技術結論

（1）水平荷載由風荷載控制和由地震力控制的不同情況，對結構方案合理選型有很大影響，應根據(jù)具體情況對比分析定案；（2）不能盲目地認為超高層就應優(yōu)先考慮采用鋼砼組合的混合結構，高度不是特別高的超高層直接采用普通混凝土結構更方便實際；（3）超高層可采用構造措施進行優(yōu)化設計，若屬高風壓區(qū)，還可從風洞試驗方向著手優(yōu)化設計。

5 結束語

高速發(fā)展，成就了“中國奇跡”，但同時也暴露了資源配置不合理造成的浪費問題。現(xiàn)階段，節(jié)能減排、綠色可持續(xù)發(fā)展是我們的共同目標，愿我們?yōu)楦篮玫纳瞽h(huán)境共同努力，為人類文明發(fā)展貢獻一份力量。