经济效益下的结构设计分析探讨经济效益分析

经济效益下的结构设计分析探讨经济效益分析 【摘 要】结构技术经济指标是评价建筑结构设计的其中一个重要依据，基于经济性条件下，本文通过分析结构传力系统组织及其结构构件经济尺寸设计入手，提出应当如何从经济效益的角度下进行结构设计的构思，为同行提供参考借鉴。 【关键词】结构设计；经济效益；构件尺寸；结构传力 1引言 对一般建筑而言，其用于结构工程的费用大约占全部造价的40%乃至50%以上。对于绝对经济有效的结构是不存在的，而且结构的经济效果很大程度上取决于结构工程师的理论及其设计水平。结构设计经济效益分析表明，对于一个具有相对经济效益的结构应当从结构构思开始、到确定及其完善结构方案。 2基于经济性的结构传力系统组织 各种结构系统、结构形式乃至结构部件，在荷载作用下，其内力的传递都是通过一定的建筑材料实现的，因此在组织结构的传力系统时，只有因地制宜，做到广用其材、材尽其用，才能取得更好的技术经济效果。 建筑师必须熟悉用于结构工程的各种建筑材料，从已有分析表明，当前以及今后相当长的一段时期内，用途最多最广的还是钢筋混凝土和钢材。每一种材料都有它各自的长处和短处，因此，在结构工程中，要根据不同材料的物理特性以及力学性能而加以合理利用，使之能相互取长补短，以达到经济有效之目的。显然，通过灵活及其因势利导地组织结构传力系统，并在受力特点不同的部位有针对性地采用不同的结构形式和不同的承重材料，这也是现代建筑结构构思中，涉及到经济价值创造的一条基本思路。结合实践，常见的材料结构组合方式可采用如下： （1）受压构件与受拉构件的材料结构组合。通过充分利用混凝土的受压性能和钢材的受拉性能，在空间结构系统中，探索出使薄壳与悬索进行组合（即悬挂式薄壳）。通过悬索和壳板的组合，实现了结构构思的一个基本意图：屋盖荷载可以通过悬索直接受拉和壳板边肋受压（无弯矩作用）而传递给垂直立柱。这里，壳板根据其受力特点采用了钢丝网水泥，板厚仅1.5cm，沿边肋局部加厚至2.5cm。壳面铺设了两层钢丝网,网间另夹层3200双向细钢筋网。与12x12米方形柱网相呼应，每四块壳板组成一伞，并用12根钢索拉结在中心柱的柱头上，显然整个屋盖结构系统组合轻巧、受力明确，而且能达到很好的技术经济指标。 （2）受压构件与受弯构件的材料结构组合。对于这一类材料结构组合方式是多种多样的。对于在平面结构系统中，受压构件和受弯构件的组合，同样可以较好地解决大空间建筑中的结构传力问题。例如，从国内某体育比赛馆结构设计可以发现，对于观众看台部分采用了钢筋混凝土悬臂梁结构，而在此悬臂梁上，再放置轻钢屋架拱组。这样，承重材料的利用恰到好处，体现了“上轻下重”的原则，不仅跨中不存在过大的弯矩（屋架呈拱形而且钢制拱架也很轻）。同时，两侧悬臂梁结构又争取到了看台部分的使用空间，屋架跨度也因此而由47m减小到37m（两侧悬臂梁各挑出5米）。通过采取这样的结构组合，有效地使得整个结构的技术经济指标创造了有利的条件。 （3）受拉构件与受弯构件的材料结构组合。在现代民用与工业建筑中，种引入注目的悬挂结构体系，是受拉的钢索与主要承受弯矩作用的钢筋混凝土水平构件的组合。从国内外的结构设计实践经验可发现，对于该结构组合可以有效地节约钢材，减少基础工程量，并能扩大有效使用面积。此外，该结构组合对抗震也十分有利，而且由于可以用钢索代替房屋整个周边受压外墙来传递荷载，因此结构自重大大降低。根据相关分析数据表明，采用这种材料结构组合方式来建造100m以上的超高层建筑，也同样可以取得良好的技术经济指标。 通过对以上归纳和分析的几种比较典型的材料结构组合方式，这方面的设计思路也是灵活多变的。例如，在高层和超高层建筑设计中，结合平面、空间布局的具体情况，在抗侧力核心部分，即由电梯井、楼梯间、设备管道竖井等组成的筒体部分采用钢筋混凝土，而在其它梁柱框架部分采用钢材。这是因为，水平荷载可以完全由核心部分承受，框架则仅仅传递竖向荷载，因此在梁柱断面可以减小的这种情况下，采用钢框架代替钢筋混凝土框架，不仅能减轻结构自重，同时也有利于快速施工。又如对于大跨度建筑设计中，充气屋盖与各种支承构架的组合也很好地体现了经济有效的原则。其不仅解决大跨度屋盖复杂的设计与施工问题。而且将使得大跨度建筑的屋顶有灵活“开放”的可能，从而为人们充分享受室外阳光、空气和景色创造了极其优越的条件。 3结构构件的经济尺寸分析 从结构设计上分析，无论是平面结构系统，还是空间结构系统，每一种结构形式所能取得的技术经济效果，在很大程度上都要取决于它工作时的受力状况。而当结构受力比较合理时，一方面可以节约材料，另一方面也能使所用材料的力学特性和承载能力得以充分发挥和利用。然而，当结构的传力系统基本确定之后、结构形式的受力状况还随着它的几何尺寸和几何形状变化而变化。即在所确定的结构传力系统中，每一种结构形式只有当它具有定的几何尺寸和几何形状时，才具有比较合理的工作性能，才能取得较好的经济效果。如当钢筋混凝土梁的跨度在4米以下时，梁跨中弯矩不大，由于这时梁截面主要是由刚度来决定的，因而钢筋混凝土的承载能力只利用了一部分，当梁的跨度超过8米时，由于弯矩和结构自重急剧增加，通常就要改变梁的矩形截面尺寸。显然，在同样的荷载条件下，梁的经济合理性要取决于它的跨度和截面，即梁的几何尺寸和几何形状。 对于结构的经济尺寸范围和结构的合理几何形状是两个很重要的概念，它们与建筑平面及建筑剖面设计的关系其为密切，对每一种结构形式的经济尺寸范围及其合理几何形状掌握的越多，在结构构思和建筑设计中的“自由度”也就越大。若不然，我们在各种结构形式的具体运用中，就只会盲目遵循。对于结构设计时过渡片面强调或孤立考虑建筑方面的要求，往往便会忽视结构的经济尺寸范围，甚至会导致完全破坏结构构件设计中应有的合理几何形状。如某工业厂房屋盖采用网壳结构。该工程中为了能解决车间内部的通风以及自然采光问题，网壳结构布置采取的呈单波高低跨布置，并在高跨的两侧边梁下开设天窗。这种结构设计做法使得每个网壳都处于单独工作的状态，完全失去了多波连续布置时的合理受力性能。而且由于壳体的边梁数量增加了一倍，因而整个网壳屋盖结构的经济指标与一般钢筋混凝土屋架、屋面板相比并不优越，水泥用量和所费工日反而显著增加。通过对该网壳采取结构优化，将筒壳改为连续3波来布置，通过经济分析表明，其用材指标都要比网壳呈单波高低跨布置时降低许多。显然，对于结构的合理几何尺寸与几何形状，总是和结构的这种“天生的经济性”紧密联系在一起的，对此若掉以轻心，从开始提出的结构方案，就很可能是“天生的不经济的”。 4结语 通过对以上归纳和分析的几种比较典型的材料结构组合方式，通过合理地组合不同受力状况的构件，应当对应相应的材料，将有助于发挥材料特有的性能，从而有效地降低工程造价；同