在建筑结构设计中,对技术经济的分析是不可忽视的。对于常用的楼盖肋梁结构,梁的跨度一般为6~9m,具体跨度大小常由使用功能决定。在这个跨度范围内应该是经济合理的跨度。而当这个跨度增加一倍时,结构造价将增加30%左右;如若跨度在6~9m,而荷载若从200kN/m2增加到400kN/m2,结构造价也将增加30%左右。当梁的跨度增加到12~24m时,则可选用双向井字楼盖,或与竖向垂直承重结构综合考虑选用框架结构。
楼盖肋梁结构中的单向板,一般情况下,跨度以2~3m为宜;双向板以4~6m为宜。楼板的厚度一般超过15cm就不经济了,因为楼板的面积大,其厚度最好小于15cm。
对于大跨度的屋盖结构,一般情况下,跨度在24~45m的屋盖,可选用单向受力的桁架结构、拱式结构,也可选用空间结构,如平板网架结构等。这要根据使用功能要求、地区条件等综合考虑来决定。当跨度在45~100m时,选用空间结构较为合理;当跨度在100m以上时,选用悬索结构较为合理。大跨度结构,其造价所占建筑总造价的比例大,一定要对各种方案进行技术经济分析,选出既安全可靠又经济合理的方案。
多层建筑的结构形式很多,经济分析是个复杂的问题。我们引用前苏联的资料,对多层厂房的层高及层数对造价的影响绘成图表,供大家设计时做参考,见图11-2。层高增加0.6m,造价增加8.3%,见图11-2a。4、5层的房屋比较经济,房屋又宽又长比较经济,见图11-2b。我们认为这两个图对于多层民用建筑也具有参考意义。
图11-2 层高、层数对造价的影响
a)层高对单位面积造价的影响 b)层数对造价的影响
对于高层建筑,选择什么样的结构体系能更有效地抵抗水平力是个重要问题。一般地讲,竖向荷载所需结构材料的重量与层数成线性关系增加;而抵抗侧向力的结构材料重量,则随层数以急剧加速的比例增加。因此,选择最优的抗侧力结构体系具有重要的意义,见图11-3。如若按最佳方案选择结构形式,其用钢量可以接近图中所示虚线数字。在40~60层时可节约20%左右,80层以上可节约37%左右,100层以上节约更多。
图11-3 五跨钢框架结构的层数与材料用量关系图
对于高层建筑,楼盖中楼板的厚度不宜大,因为楼盖面积大,层数多,叠积起来,材料用量就多了。(www.daowen.com)
选用高强轻质材料对于高层建筑具有重要意义。如美国休斯敦的贝壳广场大厦,根据地质条件,如果采用普通混凝土剪力墙结构只能建造35层,而全部采用轻质高强的轻质混凝土筒中筒结构,却建造了52层,其单位面积的造价也没有增加。
对于高层建筑特别是超高层建筑选用圆形比方形建筑平面更为经济,因为它体形均衡对称,各向刚度基本相同。平面为圆形的建筑承受水平风力的性能最好,它比平面为方形或矩形的建筑风压可减少40%;比六角形或八角形的减少20%。
圆形塔楼外墙面积最小,有效面积最大,往往可以获得较好的经济效益。
美国纽约西尔斯大厦建筑面积40万m2,高442.3m,110层,采用模数化的筒体、钢结构,是经过优化的设计。由于采用了合理的结构体系,用钢量非常省,为161kg/m2。总的用钢量为7.6万t,由于采用了模数化的筒体,构件较统一,加快了施工进度,主体结构15个月即全部完成。
芝加哥约翰考克大厦建筑面积为26万m2,高344m,99层,采用钢结构,支撑框筒体系,是一个很好的优化设计。由于采用了合理的结构体系,用钢量也非常省,仅为145kg/m2。
以上两个例子说明,对超高层建筑,采用优化设计是非常必要的。从图11-4中可以对比出优化设计的好处。图中如果按最佳方案选择结构形式,其用钢量基本上可以达到虚线所示的数字。
图11-4 美国部分高层用钢量统计图
1—盖特威中心 2—公平保险大厦,芝加哥 3—第一国家银行,西雅图 4—芝加哥市政中心 5—多伦多行政中心 6—大通曼哈顿银行,纽约 7—第一联邦银行,芝加哥 8—钢铁大厦,匹兹堡 9—约翰·汉考克大厦,芝加哥 10—世界贸易中心,纽约 11—西尔斯大厦,纽约
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