超高层建筑钢结构与混凝土方案的比较分析

第1页共6页超高层建筑钢结构与混凝土方案的经济性比较分析钢结构建筑已成为我国多、高层建筑新的发展方向，给我国建筑行业带来一场深层次的革命。一、钢结构超高层建筑的优点钢结构建筑作为建筑现代化发展的一个重要标志，与其它结构相比，具体有如下优点：1、自重轻而强度高钢材与其他建筑材料如混凝土、砌体相比，强度、刚度高得多，韧性也好得多，因此钢结构构件尺寸小、结构质量轻，特别适用于大跨度、超高层空间结构。在相同受力情况下，钢结构建筑自重要比传统混凝土建筑轻30%左右，基础的负载也相应减少，基础筏板、地基梁的断面减小，基础混凝土及钢筋用量减少，为基础的设计提供方便，节约基础工程投资。特别对于深圳等软土地区，地质条件较差，地基处理成本高昂，如果采用钢结构建筑，就能大大减少地基处理的代价，也会大大减少工程总投资额。2、结构性能优越在结构性能上，钢结构与混凝土结构对比，最显著的就是其抗震性能优越。我国处于环太平洋地震带与欧亚地震带两大地震带中间，地震断裂带十分发育，属于多地震国家，因此抗震性能是影响一种结构体系发展的重要因素。钢结构的抗震能力比混凝土结构具有显著的优势，尤其是钢框架——核心筒的结构形式，既具有混凝土结构抗侧刚度大、抵抗水平荷载能力强的特点，又有钢结构自重轻，延性好的特点，可显著减小基础的负荷和地震作用，较好地消耗地震能量，结构安全度高。3、施工周期短工业化程度高，符合建筑产业化的要求。钢结构构件一般都是在工厂制作加工，现场拼装、安装，其工业化程度和结构现场施工的装配化程度高，施工机械化程度高，有利于实现标准化、部品化、生产工业化并能节约材料降低成本。同时，采用钢结构体系，可以为施工提供较大的空间和宽敞的施工作业面，节约施工场地，特别适合于城市建筑物密集位置的施工操作。例如对于钢框架——核心筒结构体系，钢柱一般取第2页共6页若干层为一个加工节段，在现场一次性吊装；钢梁的安装、混凝土核心筒的浇筑和楼盖的施工，可以实现交叉作业，施工速度快，施工周期短。钢结构施工较为方便，竖向运输、模板等施工措施费用较少；施工速度快。钢结构体系的这一优点，能有效缩短资金占用周期，使建筑物提前投入使用，缩短还贷时间，减少贷款利息，增加租金收入，大幅度提高投资效益，使其成为我国推进建筑产业现代化的理想建筑体系。4、钢结构的质量容易保证钢结构构件在工厂里加工制作，加工精度很高。在现场只需安装就位，减少现场的施工作业量，既降低了工人的劳动强度，也易于保证工程施工质量。5、布局灵活，空间利用率高钢结构建筑能够合理布置功能分区，不拘泥于传统的建筑分隔设计，结合钢结构强度高、自重轻的特点，以钢骨架作为支承结构，所有结构柱和支撑可以均匀布置在辅助空间和分户位置，实现大开间柱网布置，使建筑平面分割灵活，既为建筑师提供了设计的回旋余地，又可以使得居住、使用者可以根据自己的喜好和用途对其重新分隔，形成开放式建筑。由于钢结构构件尺寸小，占用的总空间小，能大幅度增加建筑的有效使用空间。据统计，高层建筑钢结构比混凝土结构增加有效使用面积3%~6%左右，是开发商在销售上可宣传的亮点，能获得更高的经济收益。6、管线布置方便在很多公共建筑中，由于设备管线要占用一定的净高，不得不把层高提高，造成了造价的增加。在钢结构建筑中，可以利用结构断面空间中的孔洞和空腔，或者将钢梁在一定的范围内开洞口解决这个问题。例如可以根据设备的布置，钢梁在工厂加工的过程中腹板开洞。这样使得管线的布置较为灵活、自由，后期的更换和修理也更为方便，最重要的是节省了净高，避免了因为高度增加造成的很多问题。7、节能环保符合可持续发展的要求。钢结构建筑绿色环保，是一种节能、节地、节水和节材，符合我国可持续发展理念的新型建筑。传统钢筋混凝土结构要消耗大量的水泥、砂子和石子，这些原料不仅带来了严重的环境污染问题，而且其中相当一部分原料都是不可再生资源。钢材属于生态环境材第3页共6页料，满足现代环境标准，是最易于回收的材料；与钢结构配套采用复合楼板、轻质墙板，能够更好地满足建筑节能要求。同时，施工现场噪声、粉尘和建筑垃圾少，社会效益显著。8、钢材拆除后保值假设到了超高层建筑寿命周期完成后，钢结构比传统钢筋混凝土结构的拆除更容易实施。而且钢材拆除后的构件可以直接利用，或经加工冶炼处理后，形成新的产品被重新使用，符合经济循环的要求。因此，以钢结构的建筑技术开发，刺激节能环保、废旧利用等新技术的开发和应用，是我国建筑行业贯彻科学发展观的必经之路。9、降低基础造价较传统钢筋混凝土结构自重降低，将降低基础造价。10、降低结构外围柱与核心筒竖向变形差在竖向荷载作用下，结构外围柱与核心筒由于应力水平及竖向刚度的不同，将产生竖向变形差，钢结构体系可以通过钢梁先铰接后固结的方式消除变形差产生的梁端弯矩，而传统钢筋混凝土结构较难消除该弯矩，致使梁端配筋较大，且部分竖向荷载由外围柱传递至核心筒，使核心筒承受较大的内力，轴压比偏大。混凝土楼盖钢结构楼盖有效利用面积混凝土柱体量大，导致有效利用面积较低反之有效楼层高度混凝土梁高一般达到800mm以上，设备管道在混凝土梁下部走线，导致有效层高降低钢梁一般高度500mm，可在钢梁中部开孔供设备管道走线，大大增加有效层高施工工期混凝土柱、梁安装绑扎钢筋及等待凝固时间长，楼板施工只能采用钢筋现浇楼板，一般采用木模板，绑扎钢筋数量多，导致施工1层需要12天左右时间钢结构施工常采用焊接或高强螺栓连接，楼板施工可采用无支撑自承式压型钢板（闭口型、缩口型、钢筋桁架楼板），现场绑扎钢筋数量少，施工1层一般需要4天时间在消除竖向变形差方面此方案较难消除该弯矩，致使梁端配筋较大，且部分竖向荷载由外围柱传递至核心筒，使核心筒承受较大的内力，轴压比偏大。在竖向荷载作用下，结构外围柱与核心筒由于应力水平及竖向刚度的不同，将产生竖向变形差，可以通过钢梁先铰接后固结的方式消除变形差产生的梁端弯矩，造价结构自重较大，增加基础造价，钢材用量及涂装费用较大，但混凝土及钢筋第4页共6页混凝土及钢筋用量较多；施工较为复杂，竖向运输、模板等施工措施费用较多，总造价相对低用量较少；施工较为方便，竖向运输、模板等施工措施费用较少，总造价相对高绿色建筑评比反之采用了高强度易回收材料，大量采用工厂化制作，施工阶段对环境影响较小，碳排放少，符合建造节能减排绿色建筑的要求，在绿色建筑评比中具有较大优势二、钢结构与混凝土结构经济性对比分析下面采用两个具体项目进行分析比较：1、工程概况项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓高度（m）190180173100层数5350建成时间2012年3月20011年2月结构形式钢筋混凝土核心筒-钢框结构框剪混凝土结构基础形式预应力管桩钻孔灌柱桩建筑功能智能化写字楼能化办公楼总建筑面积（m2）4670035900预算投资额（万元）1680015000总用钢量（t）60691370钢筋混凝土总用量（m3）1463316943基础钢筋混凝土用量（m3）58825683上部结构混凝土用量（m3）9551110602、结构占用面积对整体成本的影响项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓结构占用面积（m2）10431808结构占用面积比例（%）2.295.07第5页共6页3、有效使用面积增加部分的经济收益项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓可增加的相对使用面积率（%）2.780可增加相对使用面积（m2）25180可增加的经济收益（万元）75504、施工工期对整体成本的影响项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓上部结构施工工期（d）210320层数2320平均每层施工工期（d）5350相对可提前工期（d）11505、利息节约项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓总投资（万元）1680015000计算式16800×6%×115/36515000×6%×0/365利息节约（万元）31706、租金收益分析项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓可供出租面积（m2）按一半出租面积计算23700×75%=1777517900×75%=13425假设出租面积（m2）17775×70%=1244313425×70%=9398月租金收益（万元）112443×45=560.9398×45=42提前完工的租金收益计算式56×115/3042×0/30租金收入（万元）21507、结构整体成本分析项目上海外滩中信城无锡万豪国际公寓与工期有关节约的成本利息（万元）3170租金收入（万元）2150第6页共6页有效使用面积增加经济收益（万元）7550可增加经济收益（万元）1287综合单位成本（元˙m-2）46184449注：以上数据为业主方提供数据，可能存在误差。三、结语整体成本分析表明，采用钢结构超高层比采用混凝土结构超高层的综合经济效益要高，而且比较可观。另一方面，目前钢材价格已处于低谷，人工成本已上升到历史最高点，高层建筑采用钢结构的综合经济效益越来越显著。因此建议260米以上的项目，采用全钢结构形式，将为贵司带来可观的综合经济效益。