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【泰大建科】混凝土结构优化5%?钢结构优化量可能是50%!

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概述 房地产开发项目中,大部分建筑都采用混凝土结构形式。随着房地产市场竞争的不断加剧,房地产企业对成本的控制也越来越严,结构优化就成了房地产企业在项目设 计中的一个必要环节。 然而随着房地产开发业态的不断丰富,以及国家对装配式建筑的推行,钢结构体系也开始受到广泛应用。钢结构具有造型轻盈、施工速度快、装配率高等优点,因此有时候是比混凝土结构更好的选择。 在成本部门的印象中,钢结构建筑的造价是远高于混凝土建筑的。而实际上钢结构造价与混凝土造价孰高孰低,并不能一概而论。举例来说,对于常规造型跨度达到30m的单层建筑,钢结构用钢量一般在40kg/㎡左右,其纯结构造价仅400元/m²左右,因此远低于大跨度混凝土结构。而对于常规7.2m~9m柱网的常规多层框架结构,混凝土结构的造价则一般比钢结构更具优势。实际上,成本部门认为钢结构造价远高于混凝土结构的一个重要原因是,钢结构设计不合理,用钢量偏高是一个普遍现象。

概述

房地产开发项目中,大部分建筑都采用混凝土结构形式。随着房地产市场竞争的不断加剧,房地产企业对成本的控制也越来越严,结构优化就成了房地产企业在项目设 计中的一个必要环节。

然而随着房地产开发业态的不断丰富,以及国家对装配式建筑的推行,钢结构体系也开始受到广泛应用。钢结构具有造型轻盈、施工速度快、装配率高等优点,因此有时候是比混凝土结构更好的选择。

在成本部门的印象中,钢结构建筑的造价是远高于混凝土建筑的。而实际上钢结构造价与混凝土造价孰高孰低,并不能一概而论。举例来说,对于常规造型跨度达到30m的单层建筑,钢结构用钢量一般在40kg/㎡左右,其纯结构造价仅400元/m²左右,因此远低于大跨度混凝土结构。而对于常规7.2m~9m柱网的常规多层框架结构,混凝土结构的造价则一般比钢结构更具优势。实际上,成本部门认为钢结构造价远高于混凝土结构的一个重要原因是,钢结构设计不合理,用钢量偏高是一个普遍现象。

从笔者在工作中接触到的项目来看,钢结构设计的经济性差别很大。笔者通过归纳总结,分析有如下三类主要原因。

  1. 设计熟悉程度。由于目前混凝土结构占据了建筑市场绝大部分的比例,一般设计院的设计人员平时主要以设计混凝土结构为主,真正熟悉钢结构设计的工程师非常少。即使是一些结构优化公司,能把钢结构设计做好的也是凤毛麟角。这就导致了设计师遇到钢结构设计项目时,其设计思路仍然按照混凝土结构设计一样进行,造成了结构用钢量偏大。笔者曾遇到过一个房地产公司对于一个较为常规的售楼处的造价测算,其测算结果是地上部分钢结构造价达到2500元/m²,是混凝土结构造价的2.5倍。根据这个单方造价,可以推测出用钢量超过200kg/m²,远高于合理的用钢量。由此可知,普遍不合理的钢结构设计,造成地产成本口的概念是其钢结构造价远远高于混凝土。
  2. 设计风格。钢结构设计与混凝土设计的风格是不一样的。钢结构设计尤其是异形钢结构设计,其节点处理、细节设计往往是设计工作的大头,而混凝土设计则主要是建模、输参数和出图,设计师由于习惯了按照设计工作量提成,往往不太愿意投入过多的精力在钢结构的细节设计中。尤其是很多项目钢结构设计的费用也不见得比混凝土结构高多少的情况下。
  3. 设计技巧。钢结构设计灵活度高。由于钢结构相对混凝土结构而言自重不占主导,结构体系种类众多、且存在稳定、构件扭转、复杂几何等诸多混凝土结构中较少考虑的问题,相对而言钢结构的设计灵活度远远高于混凝土结构,故对于经验不足的设计师而言,要把钢结构设计得经济性、实用性、美观性样样到位,不但快节奏的设计工期不允许,也可能是无法实现的。

因此,我们经常看到的一些钢结构设计图纸经济性不够或者美观性不够,也就不足为奇了。

钢结构优化的有益效果

根据前文所述,钢结构设计往往存在很大的优化空间。笔者碰到的一个项目,由于结构体系的改变,将用钢量直接降低了70%,对混凝土结构优化而言,这样的优化比例是不可想象的。因此虽然钢结构建筑体量可能不大,但由于其优化比例大,对于看重成本的房地产企业而言,实行钢结构优化也不失为一种显著降低成本的方式。

与混凝土结构优化不同的是,钢结构优化不仅仅是优化材料用量,而是多方面全面优化,下文分别阐述。

  • 降低造价

降低结构造价往往是钢结构优化的主要动机。对于钢结构建筑而言,结构造价主要由以下3部分组成:

  1. 基础
  2. 钢结构
  3. 楼板

一般而言,钢结构建筑的结构自重要小于混凝土建筑,其基础造价是低于混凝土建筑的。而楼板造价则由于其选用的楼板形式确定,基础和楼板造价占结构造价的比重较小,钢结构造价占据了结构造价的大部分。而钢结构造价的主要指标就是用钢量。因此,如果有效的降低了结构的用钢量,则有效降低了结构的造价。

对于空间结构而言,用钢量指标是影响结构造价的主要因素。如图 1所示,展厅建筑面积约16000m²,原设计用钢量约1000吨。由于业主投资有限,笔者团队对该项目进行了优化。我们通过优化结构体系将用钢量减少了400吨,故降低了40%的用钢量,也就降低了40%的结构造价。结构造价降低比例如此之高,在混凝土结构的优化中是几乎不能出现的。造价优化的同时,还大幅提高了建筑效果。

 图1 某空间结构展厅

  • 提升建筑效果

对于房地产项目,既然要用到钢结构,往往是因为建筑师和业主希望利用钢结构自重轻的特点,建造出造型轻盈,形态美观的建筑。因此,钢结构设计的优劣就显得非常重要。

以河南某展示中心(图 2)为例,该项目一个方向悬挑12m,另一个方向悬挑6m,对角线最大悬挑达到了14m。本地施工图设计院设计的悬挑部分的钢梁高度是1.1m,建筑完成厚度达到了1.3m。这个效果方案建筑师无法接受,因为悬挑端粗大而笨重的效果并不是他们所希望的。

正好笔者与方案公司熟悉,方案公司请我们作为顾问对此项目进行了结构优化设计。通过我司的优化方案,结构钢梁高度成功的控制在了700mm(图 3),远小于之前的钢梁高度。而且并未采用桁架斜腹杆的设计,不但节省了用钢量,建筑师要的效果也达到了,不至于造成业主钱花了,效果却没有达到。

 2.png

图2 某文化展示中心  

图3 结构示意

  • 加快施工工期

房地产开发项目有时候是因为工期的原因用到钢结构,因为钢结构的现场施工速度远快于混凝土结构。然而并非是只要采用了钢结构,工期就会大功告成。一般来说,钢结构施工的工期由以下几部分组成:

  1. 钢结构详图深化
  2. 工厂备料
  3. 工厂加工
  4. 现场施工

而实际上,钢结构设计方案和设计图纸的好坏,将很大程度上影响以上每一个步骤。如:

  1. 施工图设计不到位,造成详图深化沟通时间过长,从而影响下料时间节点;
  2. 由于缺乏设计经验,采用了市场上采购困难或订货周期过长的截面规格,将影响备料时间;
  3. 采用了加工工作量大的结构设计方案,造成工厂下料、焊接工作量巨大,工厂加工时间过长;
  4. 采用了大量的现场焊接,或者构件安装工序繁复、安装工作量大等,也会造成现场施工工期大幅延长。

由此可见,设计的合理性将对工期的每一个环节都造成影响,而且这些环节环环相扣。

以某扶贫安置房(图 4)为例,为两层联排简易的装配式别墅建筑。一期项目由本地设计院设计,笔者在一期项目的基础上,对结构进行了优化与重新设计。由于采用了创新的装配式结构体系,结构用钢量降低了50%,从而结构造价也大幅降低。我们采用的结构体系,采用了以热轧H型钢为主要受力截面,以全螺栓连接作为主要现场连接方式的装配式结构体系,工厂加工量很小,现场安装也极其迅速,钢框架可以两天安装一层。


图4 某扶贫安置房项目

综上所述,钢结构优化不仅仅是优化造价,而是一个综合性的全面优化过程,不管是对于改善建筑效果,还是缩短施工工期,都可能提出建设性的解决方案。

钢结构设计优化方法

本文简要介绍一下钢结构优化的基本方法和途径,便于房地产成本部门和结构管理部门加强基本概念,从钢结构优化中找降本增效。

从优化的途径来看,主要通过三种方法来对钢结构进行优化,包括优化结构体系,使用创新技术和精细化设计等,下面分别阐述。

  • 优化结构体系

与混凝土结构优化相同,对结构体系的优化是根本性的优化,而不是小打小闹的优化。而与混凝土不同的是,钢结构的结构体系复杂多样,灵活多变,因此优化也具有更多的可能性。

要从结构体系上进行优化,不但需要结构工程师具有清晰的结构概念和高超的力学技巧,还需要对规范有深刻的理解,而不仅仅是理解规范条文的字面意思。

  • 使用创新技术

混凝土结构设计虽然采用了大量的计算假定和近似参数,但近年来其设计理论的进步非常的小,也较少出现创新的产品或者体系。而钢结构由于越来越多的被采用,且经常被用于复杂的异形的建筑,其学术研究的活跃度、技术的进步性都远远大于混凝土结构。从近年来《建筑结构》等主流结构杂志的论文占比来看,钢结构领域的文章远多于混凝土结构的文章。可以得知,虽然混凝土建筑的市场占有率远大于钢结构建筑,但学者专家们的研究热度却远远小于钢结构。

以LOFT公寓夹层做法为例,之前的主流方案都是采用钢梁+铺板的方式,而近期出现的TD-LOFT创新夹层解决方案,直接采用与开间等宽的集成TD板铺设过去,省掉钢梁,并且同时充当吊顶龙骨,可以直接将夹层结构造价节省200元/m²左右。以珠海某项目为例,相对于之前的传统设计方案,采用创新技术造价节省比例高达30%。

  • 精细化设计

这一点与混凝土结构优化相同,精细化设计是优化造价的一个常规途径。设计院由于项目多时间紧,往往在设计过程中无法做到精细设计,因此会造成一部分结构的浪费。如果时间允许,对结构进行精细的设计,是可以将结构造价做到一定降低的。不过相对前面两种途径而言,精细化设计的优化比例会相对小一些。

结语

钢结构设计由于其复杂性和灵活度,加之设计人员普遍对钢结构的熟悉程度远小于混凝土结构,钢结构往往具有更大的优化空间。如果项目结构造价可观,请专业的钢结构优化公司进行优化往往可以取得不错的效果。而如果项目工期紧张,时间不允许做结果优化,则可以采用过程优化的方式,聘请专业优化公司在施工图设计伊始即作为结构顾问介入,也可以使施工图设计质量大幅提升,节省造价,优化建筑效果。

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全部评论
  • 工建优化设计
    工建优化设计 2020年09月15日 23:08:25 2楼

    非常精辟,欢迎加入下面的链接深入讨论:

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