建筑方案设计中结构因素的经济性分析

Ｖｏｌ.３８Ｎｏ.１Ｆｅｂ.２０１９

文章编号:２０９５￣７３８６(２０１９)０１￣００７８￣０７

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５￣７３８６.２０１９.０１.０１５

建筑方案设计中结构因素的经济性分析

(武汉交通职业学院交通工程学院ꎬ湖北武汉４３００６５)

陈金华

摘　要:建筑方案设计贯穿着政府的要求、业主的意愿以及建筑师的构思ꎬ建筑方案的好坏ꎬ决定着结构方案的优劣ꎬ并最终决定结构成本的高低ꎮ在建筑方案设计阶段将经济性理念融入建筑方案设计中可以获得良好的经济效益ꎮ笔者从地质条件、车库、建筑平面等几个方面出发ꎬ对建筑方案设计过程中结构因素需要考虑的经济性思路进行剖析ꎬ证实在考虑常规的建筑方案设计时ꎬ如果在结构因素中能主动考虑到经济性问题将会得到最合理的方案ꎮ关键词:建筑方案设计ꎻ结构因素ꎻ经济性

中图分类号:ＴＵ９　　　　　　　　文献标识码:Ａ

Ｅｃｏｎｏｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆａｃｔｏｒｓｉｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ

ＣＨＥＮＪｉｎ￣ｈｕａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ’ｓｒｅｑｕｅｓｔꎬｔｈｅｗｉｌｌｉｎｇｎｅｓｓｏｆｏｗｎｅｒａｎｄｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔ’ｓｄｅｓｉｇｎｎｅｅｄｔｏｂｅｔａｋｅｎｉｎｔｏｃｏｎ￣ｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｇｎ.Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｎｃｅｐｔｉｎｔｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｇｎ.Ｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉ￣ｓｃｈｅｍｅａｎｄｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｓｔ.Ａｔｔｈｅｓｔａｇｅｏｆａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｇｎꎬｇｏｏｄｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓｃａｎｔｉｏｎｓꎬｇａｒａｇｅａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｌａｎｅｅｔｃ.ꎬｔｈｅａｎａｔｏｍｙｏｆｅｃｏｎｏｍｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｉｄｅａｌｓｃｈｅｍｅｃａｎｂｅｇｏｔｔｅｎｔｈｒｏｕｇｈｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｃｏｎｏｍｉｃｆａｃｔｏｒｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎꎻｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆａｃｔｏｒꎻｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

(ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＷｕｈａｎＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓꎬＷｕｈａｎ４３００６５ꎬＣｈｉｎａ)

ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ.Ｂｅｓｉｄｅｓｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｇｎꎬｔｈｅｍｏｓｔ

１　引言

建筑设计涉及政治、经济、文化、科技、环境生态等方面ꎬ高质量的建筑设计能创造出适宜的工作和生活的空间环境ꎮ[１]建筑方案设计就是与项目建设

的实际情况相结合来进行科学合理的规划ꎬ并采取合理的措施来对设计中存在的问题进行妥善的处理ꎮ[２]目前ꎬ结构设计更多地把关注点放在具体的问题上ꎬ而忽视了前期建筑方案设计中的经济性分析ꎮ[３]政府的要求、业主的意愿以及建筑师的构思

　　收稿日期:２０１８￣１２￣０６.

作者简介:陈金华(１９７５￣)ꎬ男ꎬ副教授ꎬＥ￣ｍａｉｌ:７５２７８６９９＠ｑｑ.ｃｏｍ.

项目基金:湖北省教育科学规划课题(２０１６ＧＢ２７６)ꎻ武汉交通职业学院科研创新团队建设计划资助项目(ＣＸ２０１８Ｂ０７).

１期陈金华:建筑方案设计中结构因素的经济性分析

７９

都是通过建筑方案设计来体现的ꎬ作为联系方案与后期施工的结构工程师ꎬ由于设计进度、服务界面、业主经济性意识等多种原因ꎬ往往不能在这一阶段深度介入ꎮ因此ꎬ与介入方案程度更浅的结构工程师相比ꎬ方案设计阶段的建筑师对结构投资成本的高低具有不可推卸的重要责任ꎮ建筑方案设计必须注意结构的选型与适用ꎬ结构设计一定要合理ꎬ没有选择最佳的结构体系肯定不是最经济的方案ꎮ

[４]

节ꎬ同时也是影响整个建筑项目的造价和建成投入使用后所带来的运营成本的关键因素ꎮ[６]建筑方案设计会考虑到地形对方案的影响ꎬ但鲜有建筑师会考虑地质条件对方案的影响ꎮ缺少对地质条件的考虑ꎬ可能导致后期成本增加或工期延后ꎬ这在地质条件复杂的坡地或丘陵地区尤为突出ꎮ在面积较大的场地进行业态布置时ꎬ可考虑建筑高度与高填方区域的关系ꎮ

在由高填方产生的边坡附近ꎬ总图布置时宜考虑为多层建筑ꎬ尽量将高层建筑远离高填方边坡临空面ꎬ因为地震对边坡附近建筑影响很大ꎬ而高层建筑受地震力的影响更大于多层建筑ꎮ当高层建筑处于高填方边坡附近时ꎬ考虑到地震作用水平力建筑结构与不稳定土体的相互作用ꎬ严格的结构处理方式是采用结构架空ꎬ尽量减少挡墙支护ꎮ如果高层建筑架空层剪力墙需全部落地(多层建筑为框架柱或短肢剪力墙落地)ꎬ会导致剪力墙结构造价更高ꎮ根据统计ꎬ仅针对架空层本身的结构成本而言ꎬ高层建筑架空层每平方米造价比多层建筑架空层增加约２００~３００元ꎮ高填方区对于结构有利的场地剖面及高填方区对于结构不利的场地剖面示意如图１所示ꎮ

如

何设计出一套在结构成本上合理的方案ꎬ以满足业主经济性需要和社会节能减排的需要ꎬ要求建筑师在涉及结构因素时必须具备基本的经济性分析能力ꎻ但这种基本能力在教科书、建筑类专著以及建筑设计工作实践中ꎬ经常被忽略ꎬ而建筑物在建设前期进行必要的结构方案及经济性分析ꎬ可以保证项目在可控的工程预算范围内顺利实施ꎮ[５]鉴于此ꎬ笔者将在地质条件、车库、建筑平面等几个方面ꎬ对建筑方案设计过程中结构因素需要具备的经济性分析思路进行剖析ꎮ

２　结构因素的经济性分析

２.１　业态布置与地质条件

建筑的用地选择是整个设计方案中一个重要环

图１　高填方区对于结构有利及不利的场地剖面示意

　　高填方区对于结构有利的场地以重庆某项目为理方式为后院框架结构架空ꎮ由于别墅结构受水平

地震作用影响不大ꎬ为了节约造价ꎬ架空层框架结构可以没有楼板ꎮ施工过程中采用人工挖孔的方式在半坡上施工ꎬ无不利影响ꎮ

例(图２)ꎮ别墅处于高差约３０ｍ的边坡上ꎬ结构处

８０

武　汉　轻　工　大　学　学　报２０１９年

图２　重庆某项目平面图

　　高填方区对于结构不利的场地以云南某项目为

经技术论证ꎬ只能将主体结构及周边车库架空处理ꎬ导致出现２０ｍ高的大面积无任何建筑功能的架空层结构ꎮ

例(图３)ꎮ该边坡高度约３０ｍꎮ别墅在坡底ꎬ高层在坡顶ꎮ考虑到不稳定土体和主体结构相互作用ꎬ

图３　云南某项目平面图及边坡剖面图

１期陈金华:建筑方案设计中结构因素的经济性分析

８１

２.２　高层区车库柱网与地质条件

对于车库柱网的布置ꎬ建筑师不仅需要考虑单车位面积最小化这一通用限制条件ꎬ还必须考虑柱网大小与结构成本的关系ꎮ一般有以下三种常见形式ꎮ

(１)５.４ｍ×５ｍ的双车位小柱网ꎮ５.４ｍ×５ｍ的双车位小柱网适合于纯挖方区ꎮ根据结构造价的比例关系ꎬ车库梁板成本占总结构成本的９０％ꎬ而柱成本只占总结构成本的１０％ꎬ因此降低梁板跨度ꎬ对结构成本具有极为明显的经济意义ꎮ而在挖方区ꎬ通常可以设计为浅基础ꎬ基础成本相对于梁板成本而言ꎬ几乎可以忽略不计ꎮ因此在挖方区将车库设计为小柱网是最理性的选择ꎮ

(２)８ｍ×９ｍ的三车位大柱网ꎮ８ｍ×９ｍ的三车位大柱网适合于深回填区ꎮ比如３０ｍ以上的深回填区域ꎬ桩基础成本和桩施工周期会成为主要考虑对象ꎮ此时增加梁板跨度来满足桩的成本和工期是非常必要的ꎮ

(３)８ｍ×５ｍ的三车位大柱网ꎮ８ｍ×５ｍ的三车位大柱网适合于较浅填方区和挖填混合区ꎮ这种一个方向大跨度、另一个方向小跨度的折中布置

方式ꎬ既能节约桩基础数量ꎬ也能有效控制梁板结构造价ꎮ

２.３　地下掩埋方式与结构嵌固

建筑师应知道结构高度与建筑高度存在区别ꎮ主楼结构高度是以嵌固端起算至大屋面的高度ꎮ而嵌固端与主楼地下室掩埋方式密切相关ꎮ地下室四面掩埋时ꎬ有条件将地下室顶板作为结构嵌固端(是否将地下室顶板作为嵌固端ꎬ应会同结构工程师根据是否会超限确定)ꎻ当地下室存在一个及以上临空面时ꎬ通常不得将地下室顶板作为嵌固端ꎮ嵌固端确定后ꎬ结构高度就确定了ꎬ结构抗震等级也就确定了ꎮ根据«高层建筑混凝土结构技术规程»(ＪＧＪ３—２０１０)[７]ꎬ对于剪力墙结构ꎬ结构高度８０ｍ是抗震等级的分界线ꎮ因此在有条件的情况下ꎬ将结构高度控制在８０ｍ的范围内ꎬ具有明显的经济意义ꎮ

以四川某６度区高层为例(图４)ꎬ各楼栋基本上为２６层ꎬ结构高度为７８ｍꎬ抗震等级为４级ꎮ如果这些楼栋为２７层ꎬ那么结构高度为８１ｍꎬ抗震等级为３级ꎮ而４级抗震结构比３级抗震结构每平方米节约钢筋约４公斤ꎮ

图４　四川某６度区高层平面图

２.４　结构超限与建筑方案

以下几种常见的建筑方案设计会导致结构超限出现ꎮ

(１)结构高度ꎮ不同的结构形式ꎬ对应不同的超限高度ꎮ这个高度一旦超限ꎬ直接算成超限结构ꎮ详见«建筑工程抗震设防分类标准»(ＧＢ５０２２３)[８]和«建筑抗震设计规范»(ＧＢ５００１１—２０１０)[９]ꎮ

(２)平面凹凸超限ꎮ根据«高层建筑混凝土结构技术规程»(ＪＧＪ３—２０１０)的相关要求ꎬ结构平面凹进或凸出的一侧尺寸与相应投影方向总尺寸的百分比Ｂ１/Ｂ≤０.３５ꎬ结构平面突出部分长度与连接宽度的比值ｌ/ｂ≤２.００ꎬ如图５所示ꎮ不在此范围内即为超限ꎮ

(３)楼板连续性超限ꎮ楼板有效宽度占该层楼板典型宽度的百分比Ｂ１/Ｂ≥０.５０ꎬ其中有效宽度应

８２

武　汉　轻　工　大　学　学　报２０１９年

扣除凹入和开洞宽度ꎬ典型宽度是指在规则平面前提下相应的有代表性的宽度ꎮ错层高度与错层处梁高的比值≤１.００ꎮ楼板开洞面积占该层楼面积的百分比≤０.３０ꎬ开洞后任一方向的净宽(即楼板任一位置同一方向的最小板宽)ａ１＋ａ２≥５.００ｍꎬ每一边的净宽ａ１≥２.００ｍ且ａ２≥２.００ｍꎬ净宽不包括主体结构悬挑部分ꎬ如图５所示ꎮ不在此范围内即为超限ꎮ

图５　平面凹凸超限和楼板连续性超限

　　结构超限带来的负面影响较多ꎬ例如:

(１)相对于不超限的结构ꎬ超限结构通常带有

因此对于设计市场上主流的、快节奏开发的楼２.５　结构布置与户型

盘而言ꎬ要尽可能在方案设计阶段避免结构超限ꎮ

(１)墙体错位的影响

先天的受力不合理缺陷ꎮ在专家审查会上ꎬ专家将对该结构提出各种加强措施进行后天弥补ꎬ造成结构成本的大幅提高ꎮ

(２)超限结构设计难度更大ꎬ需准备的结构资(３)建设单位需要在初设上会前特别地组织专(４)如果结构超限过于严重ꎬ将无法通过专家

由于剪力墙结构的结构墙体占钢筋和混凝土总量的４０％以上ꎬ因此在结构布置中ꎬ应尽量用梁拉通来代替剪力墙ꎬ从而减少剪力墙的数量或缩短长度ꎮ但由于不同的墙体轴线可能出现错位ꎬ导致梁无法拉通ꎬ这就不得不增加剪力墙的数量或增加剪力墙的长度ꎮ以武汉某项目为例ꎬ图中墙体基本无错位ꎬ能用梁拉通ꎬ减少了剪力墙数量ꎬ如图６所示ꎮ

料更多ꎬ造成设计周期拖长ꎮ

家审查会ꎬ直接延长了开发报建的时间ꎮ

审查会ꎬ使建筑方案被打回修改ꎬ导致建设单位损失时间ꎮ

图６　墙体错位较少的户型

１期陈金华:建筑方案设计中结构因素的经济性分析

８３

　　(２)客厅与餐厅的分割方式

强处理ꎬ这会造成梁板造价增加ꎬ因此在该位置建议采用矩形板或接近矩形的板ꎬ而不宜采用异型板ꎮ如图７所示ꎮ

客厅和餐厅之间通常不设明梁ꎬ因此容易导致

此处楼板成为不规整的“异型板”ꎬ而“异型板”对受力是不利的ꎮ结构设计中对此位置通常需要进行加

图７　结构合理的客厅和餐厅分割方式与结构不合理的客厅和餐厅分割方式

２.６　车库层高与梁高的关系

较低的层高和梁的截面尺寸消耗的材料少ꎬ可以减少成本ꎮ除非为了利用车库层高来消化场地高差ꎬ我们在设计中应尽量压低地下室层高ꎬ以取得更低的综合造价ꎮ考虑２.２ｍ的建筑净高和０.７ｍ的设备高度后ꎬ可参考如下的车库结构梁高估算方式ꎮ

(１)普通车库梁高的估算方式

现浇预应力无梁楼盖在大荷载(如高覆土、消防车荷载)和大跨度(如８ｍ以上跨度)的受力条件下能充分发挥其高强度钢丝的优势ꎬ比高强度７.８ｍ×７.８ｍ的高层区规整大车库为例ꎬ车库顶板在覆土１.５ｍ、无消防车的荷载作用下ꎬ采用预应力无梁楼盖比采用普通梁板楼盖每平方米节省约２００钢筋具有更好的经济性ꎬ且有利于降低层高ꎮ以

８４

武　汉　轻　工　大　学　学　报２０１９年

元的综合造价ꎮ在进行车库楼板选型和层高计算

时ꎬ可参考表１ꎮ

表１　普通车库梁高楼板选型

大柱距

小柱距

(７.８ｍ以上)

(６ｍ以下)荷载较大预应力无梁楼盖结单向板楼盖结构高(顶板)

构高度约４００ｍｍ度约７００ｍｍ

单向板楼盖结构高

荷载较小度约６００ｍｍꎻ预应单向板楼盖结构高(楼板)

力无梁楼盖结构高度约５００ｍｍ

度约２００ｍｍ

　　(２)根据结构规范要求人防车库梁高的估算方式

ꎬ人防车库不得采用预应力

无梁楼盖ꎬ所以只能考虑普通梁板楼盖ꎮ进行车库层高计算时ꎬ可以按以下尺寸估算最大结构高度ꎬ具体参考表２ꎮ

表２　人防车库梁高

大柱距

小柱距

(７.８ｍ以上)

(６ｍ以下)荷载较大结构高度约

结构高度约

(顶板)１１００ｍｍ８００ｍｍ荷载较小结构高度约结构高度约

(楼板)

１０００ｍｍ７００ｍｍ３　结论

以上结构因素涵盖了常规建筑物在方案设计过程中应该考虑的各个方面ꎬ具有很强的实用价值ꎮ

当这些因素与规划要求、业主意愿、营销需要、工程进度等因素矛盾时ꎬ建议进行专题论证决定取舍ꎬ以得到最合理的方案ꎮ建筑方案设计是设计工作的核心ꎬ作为一名优秀的建筑师ꎬ在考虑建筑本身常规的问题外ꎬ如果在结构因素中能主动考虑到以上经济性问题ꎬ并通过在建筑设计过程中的良好互动ꎬ将会使得建筑方案设计获得最佳的经济效益ꎮ参考文献:

[１]　邹德侬.中国现代建筑论集[Ｃ].北京:机械工

业出版社ꎬ２００２.

[２]　贾鑫涛.建筑方案设计过程中的设计原则及

关键点分析[Ｊ].低碳世界ꎬ２０１７ꎬ(１３)ꎬ１５７￣

[３]　１５８.

朱海燕.高层建筑结构选型及其经济性分析

[Ｊ].科技展望ꎬ２０１７ꎬ(０２):２２４.

[４]　吕倩.初探建筑设计中的经济性理念[Ｄ].南

京:东南大学ꎬ２００５.

[５]　何伟球.某地铁上盖建筑结构方案对比及经

济性分析[Ｊ].建筑科学ꎬ２０１６ꎬ３２(０７)ꎬ１１３￣

[６]　１１７.

呼延劲松.高层建筑设计方案的经济合理性

思路构架和探索[Ｊ].中国新技术新产品

[７]　２０１６ＪＧＪ３ꎬ(—２１２０１０)ꎬ７０￣７１.

高层建筑混凝土结构技术规程

[Ｓ].北京:中国计划出版社ꎬ２０１１.

[８]　ＧＢ５０２２３—２００８建筑工程抗震设防分类标准

[Ｓ].北京:中国建筑工业出版社ꎬ２００８.[９]　ＧＢ５００１１—２０１０建筑抗震设计规范[Ｓ].北

京:中国建筑工业出版社ꎬ２０１６.