(1)功能過剩
在當前主流住房市場上,住房的生活居住、養老保障等的一般功能所占的成本比重越來越小,而一些“新功能”,如精致的景觀立麵、名貴樹種、觀光電梯、二十四小時恒溫寓所等,所占成本比重卻增長極快。這些功能目前還隻是主流消費群體追逐的對象,在當前經濟社會條件下,對於主體市場用戶來說它們是並不需要的或者使用效益很低的功能。如果將這些功能移植進普通住宅設計,則構成了過剩功能或不必要功能。實際上,即使是對有能力消費這些新功能的住房消費者來說,他們使用這些新功能的機會也並不多。例如,那些購買了恒溫、恒濕住房的人士,一天中大部分時間可能是在寫字樓、交通工具或者酒店中度過的。即使真的生活在二十四小時的恒溫寓所,隻是人體感覺舒適,而非人的身體健康所需要的東西。許多專家就對這些住房新功能提出質疑,指出如“科技家居”這樣的口號隻是住房開發商進行營銷炒作的標簽,對提高人們的生活品質可能沒有多大的意義。
(2)功能與成本嚴重不匹配
功能與成本的不匹配表現為次要甚至多餘的功能花費了太多的成本,而一些必要的、重要的功能所占的成本比重卻較小。例如,住宅工程中常見的屋頂滲水等質量通病,有人將其歸為施工質量問題,但大多數情況下還是因為防水工程的投入不足,采用低質的防水材料和低等級的防水設計,造成防水工程使用壽命短、返修率高。一項調查表明,居住是住宅消費者購房的主要動機,它的響應百分比達到了80.4%(浩春杏,2007:P82)。可見,我國住房消費主體客群購買住房的主要目的是滿足居住功能。實現居住功能的成本主要是開發成本中建安費用。然而,近年國土資源部公布的調查數據顯示,開發商成本中建安費用隻占15%。如果扣除占30%左右的地價成本和不超過20%的管理費用、銷售費用和財務費用等,則約有30%多的成本用於其他功能。
(3)不計全壽命周期成本
正如上文所提到的那樣,一些開發者將附屬功能作為住房營銷的手段,並以此提高房屋的銷售價格。許多附屬的功能本身的投資成本並不高,但是使用期的運營維護費用比其建造成本要高得多,但是極少開發者會從住房使用者的角度去考慮住房及其設施在全壽命期的使用成本。例如,有些多層住宅區也建成集中式太陽能熱水係統,但高達幾十元每月的使用費和時冷時熱的供水狀態,使得一些住戶寧願重新安裝獨立的熱水器,而不再支付使用費用,最終使得整個係統處於癱瘓狀態。一些住宅工程,為了營銷,大打科技牌,使用一些並不成熟的新技術和新材料。由於這些新技術、新產品沒有能經過更長時間的試用和檢驗,在使用一段時間後會出現較多問題,增加了住房維護運營成本。
上述對目前住宅功能不合理的分析並不是說住房的開發不需要這些功能、也不是說不需要科技住宅,而是說在住房設計和開發中應該考慮功能的合理化。現代住房產品生產的思路是提高人居環境質量,更注重產品設計的人性化、品質的卓越化、內涵的豐富化,這是正確的方向。但是,這並不意味著高消耗、高成本投入,使用高檔的配套,也不是功能越多越好。實際上,我國各級政府越來越重視城市廣場、公園等設施和城市環境整治的投資與建設。目前,大多數城市的公共設施都能為城市居民提供了基本的休閑、娛樂場所。從我國這樣一個人口眾多、土地資源匱乏的國度來說,建設安全、方便、舒適、和諧、節地和經濟的住宅產品才是真正的可持續發展目標。
21世紀以來,西方國家繼知識經濟、信息經濟之後又提出了一個全新的經營思想——功能經濟,其核心是對用戶需求的把握以及提供用戶所需功能的產品策略。它強調在產品設計和生產中應以用戶需求為中心,即功能分析應當從用戶角度出發,真實客觀地反映用戶的需求,而不僅僅是部分的利益集團的需求。用戶也不僅僅是客戶,還包括企業生存其中的社會經濟係統、自然環境等諸多方麵。它追求節省用戶在產品使用全壽命周期的成本,包括用戶購置成本或產品生產者的生產成本和用戶使用過程中日常維護和運營成本兩部分。它倡導的產品策略是在適應用戶需求功能基礎上的功能與成本匹配性,即產品各項功能與實現功能成本應相匹配,避免次要的功能或者不重要的功能花費過多的成本。可以說,功能經濟是源於價值工程方法的一種新的經濟理念,是符合資源節約、環境友好型社會構建的一種高級經濟形式。
因此,在工程設計中,功能分析與設計不應僅來自於設計者理念和開發商主觀決策,而應依據工程用戶實際功能需求;工程功能分析的主體應當是而且必須是用戶,而不能僅僅是設計者、研究專家或企業家。這就是說,在工程設計過程中,要充分調查用戶對工程的功能需求,通過價值分析的方法了解用戶對各種功能看重程度,確定功能重要性,分析各功能與成本的匹配性,並據此設計方案或進行方案的調整和修改。隻有建立基於消費者需求的工程功能分析模式,才能實現工程的功能合理性,保證工程設計的經濟性。
2)采用通用的技術標準和標準部品
在建築工程中,技術標準通常是以建築行政和行業主管部門或行業組織所製定的技術規範、標準或規程形式出現。建築技術標準化類型可以分為以下幾類:①建築產業範圍內的所有產品、生產過程、規格和程序的所有要素都必須遵循的一套規範。如建築設計規範、結構設計規範、施工規範等;②一係列針對建築生產過程和建築生產產品的測量、測試和檢測標準。如施工質量驗收規範、混凝土檢測規範;③不同部品在尺寸、規格、外形上的標準化。如標準化的門窗、金屬構件、混凝土製品等。
設計中盡量采用通過的技術標準和標準部品,其經濟性功能體現在如下幾個方麵:
(1)技術標準從建築材料或建築部品的一個或幾個方麵,如功能、操作多樣性、使用壽命、效率、安全性、環境影響等方麵,規定了產品或服務能夠被公眾接受的界限。這一標準界限成為行業競爭的基礎,企業之間將在標準水平上進行價格競爭,或者提供一種性能優於標準的產品。同時,這些被普遍接受的標準既可以保證產品的質量,同時也避免了建築產品的買賣雙方之間信息不對稱和在產品性能上產生大量的爭議,也不要求昂貴的檢查和檢測手續,可以大大降低買賣雙方的交易費用。
(2)建築生產過程表現為技術複雜性、多樣性、隱蔽性、費用巨大性、易受外界因素(包括自然、社會等因素)影響性,所以通常是在生產過程中必須進行較多次的測量、檢測和測試過程。采用標準化的建築生產過程、過程控製及中間產品,能提高生產效率,並大量減少測試頻率。
(3)建築部品兼容性和通用性標準明確了一種產品在生產或服務的係統中,為了能和其他產品一起工作(物理上或功能上)所必須具備的特性。采用標準化的建築材料、結構件、工程設備等經濟性體現在:①標準部品將使得供應商之間有效地競爭,降低了部品費用,同時也節省了大量的質量檢測費用;②標準部品可減少工程設計的工作量,提高設計效率;③標準部品可加快建造過程的速度,提高施工生產勞動效率;④對於標準的工程設備(如智能化設備、水電設備等),當技術發展後,用戶還可以方便地升級模塊,從而大大降低整個係統的過時風險;⑤建築生產過程中所使用的周轉性的設施(如施工機械、腳手、模板、支撐等)標準化,將使得這些設備和工具可以重複多次在許多工程中使用,提高其利用率和使用率。
(4)采用通用的技術標準和部品更有利於工程社會福利性的保證。建築技術關係到生態、環境、人類健康和安全等社會因素,建築技術的標準化是提高健康、環境質量和安全等社會福利的管理手段。最低的建築設計和建造質量標準保證了人類活動的建築安全性,最高的環境負因子(如排放噪聲、汙水、粉塵等)標準保證了人類居住和生活的健康水平。
3)可施工性
在工程實踐中,許多設計者僅僅出於設計的方便,而忽略工程施工的要求,或者在設計決策時采用了不適當的假設而沒有對未來的施工方法進行最優分析,造成後續施工過程的複雜性和難度,提高了工程施工費用,同時也可能降低了工程質量和可靠性。例如,基礎設計時設計許多單個基礎,基礎形狀複雜,底部標高不統一,加大了施工中的開挖、支模、回填的工作量和工作時間;鋼筋過密,混凝土澆築困難;梁柱尺寸變化太多,不便於施工;混凝土標號、鋼筋型號多,不便於現場組織和管理;狹小平麵內布置結構件,沒有考慮施工工作麵的需要;在外牆外保溫層上設計麵磚裝飾,麵磚難以粘貼,且牢固性很低;設計輕型多支柱結構、寬斷麵結構、側麵連接部件等,造成安裝部件多、接口多,施工困難且不利於建築物防火。
20世紀80年代,美國建築工業學會提出了“可施工性(可建造性)”(Constructability)的研究問題,致力於解決在工程設計中如何改善施工的便利性,以提高工程的質量和可靠性、減少勞動消耗、提高勞動效率、降低工程的措施性費用,從而降低工程的造價。國外文獻資料顯示,實施可施工性研究,可節省工程成本6%~10%,減少作業時間8.7%~43.3%(周和生、尹貽林,2010:P76)。實際上,上述列舉的一些常見的不利於施工的設計問題是完全通過合理的設計方案得以解決的,關鍵是設計者是否把可施工性作為設計活動的一部分並貫穿於設計全過程。設計師在設計時應充分考慮施工的難易程度,以及當前的工藝水平能否實現設計的預想或計算分析時假定的理想性能。設計師不能假定結構是以非常好的施工質量完成的,而應立足於目前普遍和正常的施工水平。在一般情況下,設計應使施工者能夠采用成熟和方便的工藝與方法,這對於降低施工費用和保證工程質量都是十分有益的。
美國建築工業學會研究報告《可施工性概念文件》中提出了在設計構型時要考慮的五個可施工性要素:①簡單。避免不必要的複雜性,這既不符合任何一方的利益,而且明顯增加了不滿意產品的可能性。②靈活性。設計應該規定要求的結果,但不應限製現場施工人員提出替代方法或革新途徑的可能性。③施工順序。設計應從設施平麵布置和間距仔細考慮,避免限製施工時隻能采取一種施工安裝順序。④替代方案或備選方案。特別是特殊材料的使用方麵,應考慮替代材料的備選方案,避免施工過程中因材料代換的施工程序性過程,而影響工期,並需要為修改設計而花費更多的支出。⑤勞動力技能與可用性。設計時要充分考慮目前的勞動力技能水平及數量是否能滿足工程產品的要求,無論是技術水平的不足還是可用性的缺乏都會對工程施工的質量和工期帶來重要的影響。
4)可維護性
目前,建築物可維護性或可維修性(Maintainability)問題在實踐中並沒得到應有的重視,設計中考慮不充分,相關的研究報道也罕見。而在其他領域,如電氣設備、機械、發電機組,可維護性和可靠性等並列成為設計產品的性能要求。根據建築工程的特點,本書將工程可維護性設計定義為:在工程重點部位、部件和設備管線等提供或預留必要的觀察、檢測、維護和維修條件和維修與調整空間,易損部件在質量合格前提下應具有維修、調整和修複性能及備品、備件的儲存場所。可維修性良好的建築物,應是能在最短的時間、以最低限度的資源(人力與技術水平、備件、維修設備和工具等)和最省的費用,檢測工程結構和設施是否處於良好的運營狀態,或者經過維護或維修使產品恢複到良好狀態。
在工程維護實踐中存在著許多維護性較差的問題,例如:由於一般工程結構件都是隱蔽性的,工程檢測中需要打開外表的裝飾麵層進行檢測;大多數高聳民用建築,考慮美觀等要求,也未預留維護人員進行觀察和維護的攀登設施;一些重點部位或部件受其他構件的屏蔽,而無法直接觀察或檢測;有些設計雖留有檢修孔,但隻是按規範要求的距離進行了設置,並沒有考慮觀察和維護的便利性;有些工程設計采用的材料或裝飾麵層,需要經常性的清潔和維護;有些工程設計的構造及采用的材料不易進行清潔和維護等。顯然,工程可維護性差,會大大增加檢測費用和檢測時間,也不易進行定期地目測觀察和檢查。以上海金茂大廈為例,其玻璃幕牆有0.8萬平方米,兩架擦窗機連續工作一年才能把所有的玻璃擦一遍,而且由於建築外形凹凸起伏太大,簷部又挑出很多,有的地方達3米以上,清潔玻璃異常困難。
工程具有良好的可維修性,一方麵可以極大地減少檢測和維修時間,降低檢測和維修費用,也避免對建築物外表進行剝離和重新修補所花費的費用;另一方麵可以提高維修效率,減少對工程運營和正常使用的影響;第三方麵便於對建築物進行定期的日常觀察,以利於及時發現建築物存在的安全隱患,並進行維修加固,保證工程適用性並延長其耐久性。建築物全壽命期的維修費用總和一般會超過建築物初期的造價,例如:上海部分高層建築全壽命期維修費是建設費用的3.17倍,美國某高層建築在設計壽命期限內使用維修費是建設費的2.43倍,原西德住宅在80年壽命期限內維修費是建設費的1.3~1.4倍,原東德大板住宅在80年壽命期內維修費是建設費的2.6倍(王曉鳴,1994:P5)。在設計中考慮建築物的可維修性,預留可維修條件和空間,幾乎無需增加費用或者隻需極少的費用,就可以為未來使用期間維護提供極大的便利性,節約全壽命周期費用。
隨著工程可維修性理論發展,建築可維修性將與可靠性等並列成為重要的工程性能標準,它既是工程可靠性的必要補充,又是保證工程適用性的重要措施和工程保修決策的依據,並作為評判工程設計優劣的一個尺度。工程維護性指導手冊也將納入到工程設計文件中,包括各部件的檢測和維護周期、維護級別、維護標準、維護安全規則、維護工具和備件等。工程設計中除了考慮工程在使用過程中的清潔、檢測、維護、維修的方便性外,還需要考慮可維護性監測、可維護性數據采集等,已在大型工程結構健康檢測中得到采用的現代傳感技術也將得到更廣泛的應用,最大程度地提高工程維護的高效性和便利性。住宅一類可標準化、產業化生產的建築產品,可維護性成為重要設計準則,工程設計將強調結構的簡單性、部品的可互換性(係列化、通用化、標準化)等,如正在試點運用中的中國支撐體住宅體係。
【例12.3】某高校新建校區2個組團10幢框架結構學生公寓工程的設計概算單位麵積造價高於同類工程的20%多,表明設計方案存在著明顯不合理之處。為此,對該設計方案組織了價值工程活動。價值工程小組由非參與本工程設計的建築、結構、水電、裝修專業的專業技術人員各1人,工程造價專業2人,校宿舍管理科2人,後勤服務科1人,學生代表2人組成。由一家谘詢機構負責活動全過程的引導工作。
價值小組將學生公寓的功能劃分為安全性功能、適用性功能和美觀性功能等,將其所確定的功能重要性係數按各部件發揮作用的程度分解到各主要部品中,結果如所示。各主要部品根據所含主要結構件按設計概算重新進行了分配概算造價,並計算出成本係數()。某學生公寓工程的價值分析表
工程部品主要結構件功能係數成本係數價值係數基礎工程土方、基礎0.1010.0811.247主體框架鋼筋混凝土梁和柱0.3570.2861.248牆體牆砌體0.0960.0851.129流通空間走廊、樓梯、門廳樓地麵0.0110.1990.055居住空間居室內樓地麵0.1340.1121.196衛生空間衛生間樓地麵0.0550.0212.619水電工程給排水管道、強弱電線路、衛生潔具0.0110.0410.268門窗門窗框、門窗扇0.0630.0531.189屋頂屋蓋與防水0.0330.0510.647保溫與隔熱牆體保溫、屋頂隔熱0.0880.0322.750裝飾內外牆麵和天棚裝飾0.0510.0391.308從中可看出,流通空間、衛生空間、水電工程、屋頂、保溫與隔熱等部品價值係數偏離1較大。價值小組結合設計方案,進行分析找出了問題,並提出了若幹建議:
(1)流通空間:設計師為了追求工程的美觀,每個組團的宿舍之間設置了鋼結構連通走廊。學生代表認為這樣的鋼結構連通走廊並不能發揮多大使用功能,宿舍管理人員也提出連通走廊不利於宿舍管理,即使建成,將來最大的可能也是關閉停用。因此價值小組建議取消該連接走廊。經造價人員核算,僅此項就可節省造價近16%。另外,建築師認為樓內走廊的寬度和一樓門廳麵積比規範的要求要高,考慮到現在每間宿舍隻住4人,人流量較小,可減少尺寸。
(2)衛生空間:學生代表認為每個宿舍獨立的衛生間麵積太小,特別同宿舍學生集體行動的概率較大,衛生間使用極不方便。宿舍管理人員認為獨立衛生間由學生自行負責打掃,髒、亂、差現象普遍,對室內空氣質量影響也很大。價值小組建議,改變原設計采用近年來流行的學生宿舍獨立衛生間構造做法,采用公共衛生間構造,但不同於過去的一層樓設一個衛生間,每層設三個衛生間,既便於學生使用,也可在總麵積不變的情況下極大程度地提高利用效率,消除學生使用衛生間的擁擠感,同時也利於統一的清潔和管理。
(3)水電工程:經造價人員分析,水電工程與同類工程相比造價較高的原因是設計師采用了進口衛生潔具。價值小組認為,從工程的性質來看,隻要采用國產品牌潔具就可以滿足使用要求。同時,如采用公共衛生間構造,可減少衛生潔具的數量,同時也大量減少上下水管道數量。經測算,此項可節省造價3%左右。
(4)屋頂工程:經分析,主要是采用了高等級的防水構造和坡屋頂,考慮普通等級防水工程壽命較短,平屋頂隔熱效果較差,考慮到工程使用的性質和特點,建議保持現行的設計構造。
(5)保溫和隔熱工程:目前方案隻是在屋頂設置了保溫隔熱層和外牆麵做了保溫砂漿。價值小組認為,考慮到未來學生宿舍可能會增加空調設施,應按目前冬冷夏熱地區的節能設計外牆內保溫構造。估計造價將增加3%左右。
12.2.3工程結構選型的經濟性策略
1)不同結構選型的經濟性比較
對同一建築物來說,采用不同的結構型式,耗用的人工和材料有很大差異。列出了不同結構類型之間的單位建築麵積工料消耗指標。從中可看出,框架結構消耗指標顯著高於磚混結構,而隨著框架結構複雜程度的提高,除木材外,其他各類消耗指標也明顯增加。不同結構類型之間的工料消耗指標與造價指標對比
建築類型結構型式造價指標
(%)每平方米主要工料消耗指標人工(工日)鋼材(kg)木材(m3)水泥(kg)民用建築多層磚混1004.2226.380.011179.49多層框架1093.8143.960.009200.00高層(14層以下)1253.8553.190.014206.85高層(15~25層)1774.8383.460.013290.00工業建築單層排架廠房1005.3745.170.010245.33多層排架廠房955.1655.540.008257.54資料來源:根據江蘇省建築工程造價估算指標整理(江蘇省建設廳,2002:P7、P11)工程采用什麼樣的結構類型對施工工藝與施工工期也會產生較大的影響。一般情況下,磚混結構由於可采用的施工工藝限製,機械化程度較低,所以與現澆結構、裝配式結構相比,其施工周期要長。對於現澆結構,隨著建築物或構築物體型複雜程度的增加,構件變化就越多,施工過程的規律性較差,施工難度使施工技術措施更為複雜,費用提高,工期也隨之延長,施工管理費用也將增加。當采用裝配式構件的結構類型時,由於預製構件較規範化,施工過程中的規律性強,施工工期也大大縮短。給出了不同結構類型的工期比較。不同結構類型住宅的工期比較表
結構類型多層高層統計棟數平均工期
(月)占磚混結構的
百分比(%)統計棟數平均工期
(月)占內澆外掛
百分比(%)磚混25911.20100內澆外砌14210.795.5內澆外掛1010.089.37615.4100裝配式大板819.786.61919.6127.3框架輕板718.2162.5742.7277.3滑模316.8109.1資料來源:袁建新,1997:P29由於不同結構類型在工料消耗、施工工藝和施工工期上的不同,不同結構類型造價有著顯著的差異(),所以工程結構選型在滿足基本功能要求的條件下,結構方案造價的經濟性是工程設計經濟性要考慮的重要內容。
2) 決定工程結構經濟性的技術要素
(1)整體假定
設計師在最初的建築形式分析時可假定其為一個具體的整體結構,而不必關心它們詳細的、具體的結構形式。這個整體結構必須滿足以下要求:①結構應當固定在地麵上;②結構具有質量,必須由地麵來支承;③結構必須能抵抗水平風力及地震作用。
由於建築物或構築物需要地基來承受,同時地基的承載力是一定的,所以工程結構必須有足夠的底麵積。建築物或構築物的底麵對結構的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的。可見,工程結構及其選型與工程占土地麵積有著密切關係。
由於建築物或構築物由一些有重量的構件所組成的,所以它一方麵必須能承受本身的重量(恒荷載),另一方麵還必須承受使用荷載(活荷載)。而結構件承受荷載的大小與構成構件的材料數量與強度有關,在荷載及形式相同的條件下,選擇不同的材料,構件的尺度有很大差別。顯然,工程結構及其選型與決定工程造價主要因素的材料種類及數量密切相關,並且在相同建築麵積的情況下,結構件所占空間也決定了真正能發揮工程效益的使用空間多少。
受地震荷載作用時,地基受地震力作用會突然產生移動,由於慣性,建築物或構築物的上部質量總是趨於保持其原來的位置,這將導致沿建築物高度分布的水平作用力,所以它沿高度方向分布與質量分布直接相關。受大氣環境中形成的風力作用,在建築物或構築物表麵形成水平荷載,它是空氣對表麵形成的壓力,所以風荷載的分布與建築物的表麵積直接相關。在結構整體分析中,可將建築物看作一個整體懸臂梁。顯然,在結構選型時,應盡可能使總力矩最小,這才是經濟的。
(2)高寬比與抗傾覆
由水平力產生的傾覆力矩必須由結構支承體係中的豎向力偶來抵抗,所以在豎向支承體係的設計中必須考慮恒載和抗傾覆力的綜合效果。傾覆力隨著建築物或構築物高度和寬度的變化而變化,因此,高寬比是對工程結構抗傾覆能力的總體衡量。
在確定的建築體型及質量分布下,水平力及其作用點、建築自重都是確定的,那麼確定體型的建築物就有其最大高寬比的要求。如果高寬比超過了極限高寬比,則受水平力作用建築物就不能維持平衡,需要附加抗拔措施,增加工程造價。
(3)結構強度、剛度及效能
建築在荷載作用下,會發生豎向的壓縮和水平側移((a)、12.2(b))。強度是指結構體係能抵抗荷載而不致破壞的一種性質,剛度是指結構體係能夠限製荷載作用下的變形的一種性質。結構安全性是指建築物或構築物在荷載作用下不應發生倒塌破壞,也不應出現過大的變形。
結構受力與幾何布置幾種情況
豎向壓縮變形與豎向構件的材料和截麵積有關,彈性模量越大、麵積越大,豎向變形就越小。水平側移則使建築物產生彎曲,彎曲使中和軸一邊的材料受拉伸長,另一邊的材料受壓縮短,而中和軸處無變形,各部分的伸長和縮短的多少隨該部位到中和軸的距離而變化,從而拉應力和壓應力的大小也隨截麵積相對於中和軸的分布情況而變化。顯然,建築物的形狀、受力方向寬度和材料性質將共同決定整個結構體係抵抗彎曲變形的能力。
結構件材料的選擇是一個十分重要的因素,在給定的荷載彎矩、材料數量和支承平麵布置的情況下,材料彈性模量越高,轉動變形就越小。例如,同等條件下的鋼構件就較混凝土構件的變形小。而建築物平麵形狀和受力方向寬度是幾何要素,它決定了材料利用的有效程度。(c)和(d)的兩種結構幾何布置的材料用量完全相同,但前者剛度是後者的3倍。顯然,把材料放在遠離中和軸位置上的形狀是有效利用材料的形狀。
因此,在截麵形狀已經給定時,雖然可通過加大材料用量和改變材料類型來改善彎曲剛度,但不能改善其效能;當給定平麵形狀時,應該通過增大受力方向總寬度,也就是使更多的麵積遠離中和軸來提高其效能。在結構設計中處理強度和剛度問題時,應當合理設計支承平麵,使其具有較大的形狀效能,以提高其抗彎能力,節約材料。
(4)複雜體型的分割
一般來說,當建築立麵規則時,恒載不會引起水平方向上的總體彎曲;平麵規則對稱時,不會在水平力作用下產生大的扭轉。在結構設計時,有時會麵對不規則、不對稱的情況,如果不規則程度嚴重時,會產生不可估算的損壞。這時,可對建築外形進行分割,將建築物分割成相對獨立、比較規則的單元,利用抗震縫的措施處理好各個單元之間的結合麵,建築物本身仍可以成為一個整體。複雜體型如何分割也是影響工程經濟性的重要技術要素。
3)工程結構選型的經濟性策略
根據上述分析,工程結構選型的經濟性策略可歸納為如下幾個方麵:
(1)最大程度地發揮工程材料效能
提高材料使用效能是工程結構選型經濟性策略的重要路徑。譬如,框架結構平麵布置靈活,可形成較大的空間,梁、柱標準化有利於施工。但是,框架結構承受水平荷載的能力較弱,當層數較多、水平荷載較大時,為滿足剛度和強度的要求,需加大柱、梁截麵,或增加柱的數量,所以框架結構用於10層以下的建築是比較經濟的。如果需要滿足工程規模的要求,采用框架結構,就需要增加建築基地麵積。在基地麵積限製的條件下,對於15層以上的建築選擇剪力牆結構或筒體結構則顯得更為經濟。
提高材料使用效能的方法是在滿足工程結構基本性能要求基礎上,通過采用結構設計技術和結構優化方法(參見本書11.5節),節省材料用量,提高材料利用率。例如,是北京圖書館書庫樓蓋方案的材料用量比較。雙向密肋樓蓋根據平板樓蓋受力特點,利用材料布置遠離中和軸更為有效的原理,將離中和軸近的樓板減薄,加大遠離中和軸的板高度,就形成了雙向密肋樓蓋。密肋樓蓋較平板自重輕,提高了材料利用率並減輕了建築物自重。北京圖書館書庫樓蓋方案比較
樓蓋方案鋼材(kg/m2)混凝土(m3/m2)造價指標(%)現澆無梁樓蓋19.80.22100梁板(井式)樓蓋15.10.1695雙向密肋樓蓋11.50.1463資料來源:楊昌鳴、莊惟敏,2003:P88(2)提高工程的產出
工程設計常常是在規劃紅線和建築控製高度等設計邊界條件範圍內進行。對於土地費用較為昂貴的地域,在邊界條件內如何提高工程的產出,即增加使用麵積,所取得的工程效益遠高於節省的工程造價。因此,在結構設計中,在建築總體量不變的情況下,如何減少提高工程的使用空間產出效率,也是工程結構選型的經濟性策略之一。例如,北京飯店貴客樓設計,原方案采用梁板框架體係,隻能建到9層,後改用預應力無梁樓蓋設計,建到了12層;廣州國際大廈為筒中筒結構,原方案為普通平板,板厚350mm,層高3.2m,經反複論證,采用無黏結預應力平板後,板厚減為220mm,原共60層,總計減少了7.8m,可多蓋2層;節省混凝土8000m3,耗鋼量減少7kg/m2;結構自重減少20000t,地基處理費用及牆、柱截麵相應減少;地震力降低2000kN以上,相應豎向結構受力減輕(楊昌鳴、莊惟敏,2003:P88)。
(3)考慮結構選型對其他專業的影響,以總體效益為最終目的
在結構選型經濟性策劃中,結構本身的經濟性是一個重要方麵,但不能因此單純追求結構造價的低廉,那可能適得其反。在結構選型中,要綜合考慮其他專業的需求和條件,如設備工程的特點、功能布置的靈活性、施工條件的限製、建設工期的要求等,以保證項目總體的效益最佳。例如,對於設備管線較多的工程,將鋼筋混凝土梁改成空腹桁架或鋼桁架,管線從桁架中腹穿過,雖然結構造價提高了,但是可以加大房間淨高,所產生的空間效率性可能會遠高於結構造價的提高。對於商場、賓館等商業性建築和廠房等工業建築來說,工期也成為結構選型要考慮的一個重要因素。一些工期較短的結構型式,盡管初期的投資成本較高,但可以盡早地發揮工程經濟效益。例如,鋼結構廠房比傳統的鋼筋混凝土結構廠房的造價要高,但工期可以大大縮短,所以大多數企業寧願選擇鋼結構廠房。
【例12.4】某六層單元式住宅共54戶,建築麵積為3949.62m2。原設計方案為磚混結構,內外牆為240mm磚牆。現擬定的新方案為內澆外砌結構,外牆做法不變,內牆采用C20混凝土澆築。新方案內橫牆厚為140mm,內縱牆厚為160mm。其他部位的做法、選材及建築標準與原方案相同。兩方案各項數據見。兩方案的數據
設計方案建築麵積/m2使用麵積/m2總投資(包括地價)/元(1)磚混結構3949.622797.208163789(2)內澆外砌3949.622881.988300342對於住宅來說,住宅的功能與日常運營費用一般不會受到房屋結構方案不同的影響,因此對這兩個方案的比較主要是考察期初的投資或銷售收入的差異。
(1)從單位麵積投資額分析
經計算磚混結構和內澆外砌結構兩方案的單位建築麵積投資額分別為2066.98元/m2和2101.55元/m2,單位使用麵積的投資額為2918.56元/m2和2880.08元/m2。可看出,按單位建築麵積計算,方案2投資高於方案1的投資;如按單位使用麵積計算,方案2的投資低於方案1的投資。由於隻有使用麵積才會真正發揮居住的功能,如果不考慮其他因素,顯然方案2優於方案1。
也可換種角度和方法來分析。每戶平均增加使用麵積為(2881.98-2797.20)/54=1.57m2。為此,每戶多投資(8300342-8163789)/54=2528.76元,折合單位使用麵積投資為2528.76/1.57=1610.68元/m2。即方案2比方案1的每戶多增加的使用麵積1.57m2,其每平方米的投資為1610.68元。和方案1的單位使用麵積2918.56元的投資相比,增加麵積的投資是合算的。
(2)從收益角度分析
如果作為商品房出售,假設方案2與方案1的單位麵積售價是相同的,可從不同的角度來分析。
①按使用麵積出售的情況分析
對於購房人來說,如果不考慮其他因素,不同的結構對其選擇是沒有影響的,即不管房屋是什麼結構的,他花費同樣的錢隻能購買同樣使用麵積的住房。而對於開發商來說,選擇方案2是很有利的,因為就該住宅分析,方案2比方案1每單位使用麵積淨收入增加2918.56-2880.08=38.48元/m2,而整個住宅至少可增加淨收入38.48×2881.98=110898.59元。