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超高层结构设计成本优化探索主讲人：思优刘立志目录WHY——超限高层设计成本控制意义HOW——如何进行超限高层成本控制CASE——超限高层成本控制案例利润下降，成本控制需求增加成本控制是企业的生命线。建安成本是项目开发过程中成本控制的重点；在其他成本基本固定的前提下，这一小部分对利润的影响是决定性的。Why—设计优化。全过程设计成本敏感度分析设计质量的好差直接影响建设费用的多少和建设工期的长短，直接决定人力、物力和财力投入的多少。合理科学的设计优化，可降低工程造价15%以上。建设工期建设费用其他费用人力物力财力合理优化降低造价15%以上项目设计安全第一功能不减进度严控Why—成本优化why—高层优化限额指标现状图超高层建筑用钢量统计（图片摘自《超高层建筑结构体系方案优选》（陈孝堂.2010））why—超限高层优化钢结构未经优化用钢量钢结构最优用钢量平均用钢量钢筋混凝土结构最优用钢量混合结构最优用钢量思优科技结构成本限额设计指标（2014版）编号地区具体参考指标备注1地上南京、合肥类别35~41层(H≤120m)42~48层(H≤140m)48~51层(H≤150m)52~58层(H≤170m)钢筋含量(kg/㎡）54626878混凝土含量（m³/㎡）0.410.420.450.502上海、昆山钢筋含量(kg/㎡55637081混凝土含量（m³/㎡）0.410.430.450.513深圳、珠海钢筋含量(kg/㎡）54586571混凝土含量（m³/㎡）0.40.410.440.474厦门、泉州钢筋含量(kg/㎡）57596875混凝土含量（m³/㎡）0.410.430.450.495西安（长安区）钢筋含量(kg/㎡）576572/混凝土含量（m³/㎡）0.410.440.46/Why—超限高层优化Why—超限高层优化设计院部分超高层优化案例（自优）序列项目名称高度（m)分析软件优化重点优化成果1上海中心632Etabs、MIDAS/ABAQUS精细化分析、构造节点、长周期等规范理解约节省钢材12000吨2上海浦东海关大楼210Etabs/Ansys构造、截面尺寸优化节省钢材1520吨，约节省1500万3天津地铁大厦163SATWE/Etabs方案选型：型钢混凝土柱和钢管混凝土柱比较采用钢管混凝土柱节省钢材20%；节约混凝土30%；增加建筑使用面积4中融碧玉蓝天大厦228SATWE/Etabs方案选型：混合结构与全钢结构比较混合结构材料节省4108万；考虑进度因素，综合节省1200万5天津津塔336.9ABAQUS/Etabs/MIDAS核心钢板剪力墙体系(SPSW)施工顺序剪力墙增加费用约为600万元，但是施工周期缩短近六个月，利息一项可节约上千万元6大连丰盈大厦183.25SATWE/ETABS/ANSYS方案选型：混凝土筒中筒结构与混合结构体系混合结构方案较混凝土结构造价多1844万元，但可节省929平米适用面积。7华润大冲商务中心175.1SATWE/MIDAS上部框架核心筒结构外框方案选型，桩基选型方案节省造价约800万元8宁夏亘元万豪大厦216SATWE/Etabs基础方案：普通灌注桩与后注浆钻孔灌注浆比较基础方案节省造价约30%why—超限高层优化方案独特•超限高层通常具有方案独特性，类比经验少（受限于功能、灵活性、商业价值）。超限理解•复杂、超限结构对设计的边界条件理解和应用原则有差异，较难准确把控，存在优化空间。措施加强•针对不规则特性、复杂特性，需要有专门措施来加强，增加了设计难度和设计成本。业绩斐然•专家判断及多方案论证业绩斐然，方案优化已成为设计院设计本身中的必选流程。成本需求•成本及经济性甲方较为关注，超限咨询需求已得甲方及同行认同。意义：控制结构成本，并不会导致结构的安全储备的降低，而是要取消掉其中的无效成本。建安成本无效成本设计优化最小投入产出比专业化标准化精细化跨越化What—成本优化How—超限高层优化符合中国现行设计、施工规范（规程）、材料和型钢规格标准及满足审图要求。满足超限评审专家审查要求，不降低超限文本中的性能目标。需要进行结构在罕遇地震下的弹塑性分析，验算结构的弹塑性变形满足规范规定。满足委托方要求的设计进度及时间节点。优化控制原则和要求：影响因素成本的影响因素How—超限高层优化How—超限高层优化成本的影响因素宏观：另需有合理的抗震（通过减震、轻质、高强材料）；建筑抗风体型（可结合风洞实验选择）。细部：高宽比：合理7~9；最好不要超过10；核心筒高宽比：合理14~17；不要20。方案设计阶段，影响成本的可能性为95-75%，在初步设计阶段，影响成本的可能性为75-35%，在施工图设计阶段，影响成本的可能性为35-5%。成本的影响因素How—超限高层优化层间位移角、基底剪重比、外框承担地震水平力设计指标过严会造成周期不合理。1）方案阶段，可以通过比较结构基本周期及结构周期上限的大小快速判别结构是否满足整体稳定的要求；2）可根据预估的基于整体稳定的周期上限并结合建筑的体形、高度和高宽比可以有效对结构的刚度进行评估，从而为结构方案选型、结构体系布置存在设计依据。成本的影响因素How—超限高层优化天津津塔为了防止SPSW在竖向荷载作用下发生屈曲，对部分钢板剪力墙钢板厚度进行了加厚并采用竖向加劲肋进行加强。钢板剪力墙及加劲肋方案仅比原设计方案增加用钢量500吨，增加费用约为600万元，却使得项目施工周期缩短近六个月，光利息一项就可以节约上千万元(MARKSARKISIAN&DASUIWANG,2011)，降低了工程的总投资费用，很好的满足业主工期要求。图文摘自汪大绥等著《超高层建筑结构经济性分析》建筑结构的施工工期，对建筑的整体效益产生较大的影响。施工工期受施工环境、地质条件、工程规模。结构体系、施工方法等多个方面的影响。顾名思义，施工工期对现在整体经济效益的影响主要体现在时间的把握上，建筑结构的施工工期所得，可以是建筑提早投入使用提早产生经济价值，所以现在建筑结构工期对于建筑整体经济结构的影响主要体现在利息的缩短和租金的收益上。单位面积材料总用量型钢混凝土框架-核心筒-环带桁架（楼面体系为钢梁+压型钢板组合楼板）型钢混凝土框架-核心筒（楼面体系为钢筋混凝土梁板）混凝土用量（m3/m2）钢材用量(kg/m2)钢筋用量（kg/m2）混凝土用量（m3/m2）钢材用量(kg/m2)钢筋用量（kg/m2）0.3310060.50.614895.2How—超限高层优化成本的影响因素福建某高层，塔楼结构高度193m；办公、酒店；超B级高度。注：本用钢量统计：（1）暂未统计核心筒内钢骨的用钢量；（2）本文用钢量以及混凝土用量的数据仅为理论计算值。在方案比较过程中，另综合考虑有：结构延性、自重及基础经济性、面积使用率、楼层净高、施工周期、抗震性能、可持续发展绿色建筑等方面。结论：材料经济性，方案二较有优势，其余分项方案一较有优势。需具体项目综合分析。成本的影响因素How—超限高层优化国内部分超高层建筑结构体系（含建设中）工程案例建筑高度结构体系苏州中南中心729巨型框架-核心筒深圳平安金融中心648巨型支撑框架-核心筒上海中心632巨型框架-核心筒天津117597巨型支撑框架-核心筒台北101508巨型框架-核心筒上海环球金融中心492巨型支撑框架-核心筒长沙国金中心452框架-核心筒南宁华润中心442钢管混凝土框架-核心筒广州西塔432支撑筒-核心筒海口塔428.3巨型框架-核心筒北京Z6405巨型柱-斜撑-核心筒南通中南中心400框架+核心筒+伸臂桁架深业上城388巨型柱-核心筒苏州绿地中心358框架+核心筒+伸臂桁架天津津塔336.9框架+核心筒+伸臂（腰）桁架佛山苏宁中心318巨型框架-核心筒1）需重视提高抗侧体系效率的比较；（结构布置支撑化、周变化、巨型化、伸臂桁架化）2）带加强层的结构体系可增强结构抗侧刚度，但会带来楼层承载力突变，施工难度加大，应慎重选择。尤其伸臂桁架其经济性差：其与环带桁架的加强层仅型钢用量可达到结构标准层的8倍以上。腰桁架的用钢量比伸臂桁架的用钢量小也相差可达一倍。成本的影响因素How—超限高层优化楼承板选型咨询意见：开口型压型钢板综合造价比闭口型压型钢板和钢筋桁架低8%左右；重量相比其他两种轻3%左右。从成本控制、楼板自重、施工便利和工程应用广泛性等方面综合考虑，建议办公楼层、酒店楼层优选开口型压型钢板。此外，由于设备层楼板性能要求较高、结构受力复杂、考虑到钢筋桁架整体性较好，可双向受力，因此设备层可考虑选用钢筋桁架楼板。开口型压型钢板闭口型压型钢板钢筋桁架厂家型号多维DW76-688多维YX65-170-510多维TD4-90型楼承板单价79元/m298元/m2110元/m2运费6元/m26元/m212元/m2附加钢筋费用8kg/m2*4元/kg=32元/m28kg/m2*4元/kg=32元/m24kg/m2*4元/kg=16元/m2封口板、马凳等约10元/m2无无小计127元/m2136元/m2138元/m2成本的影响因素How—超限高层优化人行荷载：行走基频对结果影响大；行走模式种类多；人行荷载模型较多楼面阻尼：美国、英国、中国规范差异较大，0.15~0.3，分析结果对阻尼非常敏感。计算方法：我国手算公式参考美国标准，较为简化，有时与结果偏差较大。评价标准：美国标准、标准、国际通用标准，不同单位有不同认可。某项目采用我国标准的阻尼比可取消该次梁，节省钢材800t。How—超限高层优化1•对影响项目结构成本的各种影响因素分析（风洞实验、地勘数据、层高、覆土、高宽比等）、论证。2•详细了解和熟悉抗震评审报告及专家要求，对扩初计算模型进行重新分析，工程判定及专家意见细化。3•与设计进行的初步设计工作进行比较，对其初步设计文件进行审核，审核的内容包括计算书和图面内容。4•基础选型及技术分析论证。5•上部结构布置的技术及经济合理性；弹塑性分析，验算结构的弹塑性变形。6•就有分歧的问题与专家、审图公司沟通，并与设计院、专家、审图公司达成一致意见。7•审查设计单位提供的设计计算条件、计算模型及中间设计图纸，并提出合理化建议并与设计院落实。8•对施工图前期阶段的成果做过程汇报。施工图前期咨询流程及计划How—超限高层优化1•编写《结构专业配筋原则》并落实。2•审核设计单位提供的模型、标准层图纸及基础图纸，并提出详细咨询意见，申请三方会议对提出的合理化建议与设计单位沟通落实。3•对标准层过程测算算量，在过程中控制工程质量和工程造价。4•与设计单位同步审核设计单位提供的结构图纸，并提出详细咨询意见，申请三方会议对提出的合理化建议与设计单位沟通落实。5•协助设计单位回复审图意见，并与审图公司沟通协调。6•提交优化咨询报告及测算报告。施工图过程咨询流程及计划超限高层常用复核分析软件How—超限高层优化微观有限元分析软件ABAQUSADINAMARCANSYS宏观有限元分析软件PERFORM-3DOPENSEESMARCIDARC-2DEPDAETABSSAP2000sausage超限高层优化控制关键环节：How—超限高层优化•结构体系的合理选择、合理结构构成（如加强层道数和伸臂数量）、合理截面尺度（梁、板、柱、墙、钢板尺寸）等。结构体系的合理改进•风、地震（安评、连梁折减系数、周期折减）、荷载等。输入参数的合理控制•轴压比、周期、剪重比/内外筒剪力分担比。控制指标的合理界限•结合具体项目合理确定性能目标；对结构的抗震性能设计进行深入的分析，并通过专家的评估论证。性能目标的合理确定•地下室的侧向刚度、抗震、桩筏共同分析等基础方案的合理比选•多个软件结果分析对比；比如非线性分析、舒适度分析、构件性能判断分析、温度影响分析等。软件结果的合理解读•构造抗震措施、梁板柱墙受力钢筋的精细化复核。施工图纸的精细把控咨询控制要点•多方案比较，多层次沟通，确保方案最优•精细化分析设计（输入和输出），在满足安全和规范的条件下，确保效益最大化•严控进度及优化节点，严格按设计咨询