建筑房屋钢结构与混凝土结构的技术经济性对比分析

严峻

（合肥学院 230601）

前言

在建筑行业成本与质量是业主及建筑商最为关注的问题，如何在有限的成本下保证施工的质量与成本是我们一直探索的问题。质量控制包括材料、人员、设备等，其中最重要的就是材料，在合理材料下，只有合格的、多方面性能优良的材料才能使建筑的质量进一步的提高。对于成本来说，主要的包括人员、资金、效率、材料这几方面，而在当代对于成本的控制就在于如何能快速的建立工业化、标准化的建筑材料，能在最短的时间内完成施工并降低材料的费用。从质量及材料来说钢结构能同时达到这两方面的要求，具有较高的技术经济性。当前我国正积极的推进低碳理念，在建筑行业，我国当前砖的生产量约为世界总量的50%，水泥生产总量约为世界总量的33%，而这需要毁田15万亩，消耗标准煤7000万t。同时砖和水泥都是不可再生材料，很难回收处理。所以，当前需找一种低碳环保、技术经济性高的建筑方式成为国民经济发展的重要途径。

1 我国钢结构发展现状

当前我国的工业大幅度的进步，钢产量不断的增加，具备了供应市场需求的能力。由于我国人口众多以及城镇化的客观要求，我国的高层建筑不断增多，而这促进了钢结构的发展进程。钢结构的科学研究、设计施工等方面都取得了较大的突破，如以金茂大厦为代表的超高层建筑和以鸟巢、水立方等为代表的空间结构都取得的较大的成就。相对来说，钢结构受力较为合理、刚度大、重量轻、构件较为单一，且制作方便，能满足高空间、多建筑形式的要求，对于建筑艺术的发展具有重要的推进作用[1]。

概括来说，钢结构主要有以下优势：①钢结构具有更好的延性，在动力冲击荷载作用时能吸收较多的能量，降低脆性的危害程度，所以抗震性能较好；②自重较轻，能根据设计和使用的要求灵活的分割空间。且结构自重的降低能减少地震的作用和小结构构建的设计内力，同时降低基础造价。如高层混凝土结构的自重在1.5～2.1t/m2左右，而高层钢结构的自重基本上都在1t/m2以下；③钢结构构件一般在工厂完成，具有较高的加工精度，可保证质量，且占有面积相对较少，增加了净使用面积；④相对于混凝土结构，钢结构的运输安装量相对较少，柱子施工一般3～4层为一个施工段，一次吊装施工，可进行立体交叉作业，提高了建筑的工业化出程度，缩短了工期；⑤钢结构的结构空间中有很多的孔洞和空腔，为管线的布置提供了方便，增加了建筑的净高；⑥在我国工业化进程及城市化不断加快的背景下，势必会大规模的对建筑进行改造，所以会加大拆除旧建筑的规模。钢结构除了具有更方便的拆除性外，能够回收再利用，具有较好的环境和经济效益[2]。

钢结构具有结构性能、使用功能和环保方面的价值，但传统的混凝土结构具有经验丰富、配套技术完善、成本预算准确、经济效益确定性高的优势。所以，哪种结构具有较高的技术经济性，在不同的地震设防烈度区两种结构的技术经济指标会不会发生变化，都需要我们认真的考虑，需要我们对两种结构的技术经济性进行认真的对比分析。

2 建筑房屋钢结构与混凝土结构的技术性对比

技术性的比较需要建立合理的计算模型，本次比较以当前较为常见的框架核心商业住宅楼为原型，确保分析结构具有更高的适用性。同时，分析不同结构体系的技术和经济指标，使分析结果具有普适性。所以模型应能同时承载两种不同结构形式，具有可比性。

所选模型为地上28层，地下2层，正方形平面，建筑总高度97.2m，外侧抗测力构建轴线平面尺寸为32m×32m，场地粗糙度为B类，如图1所示。

设计规范采用《建筑结构可靠度设计统一标准》、《建筑地基基础设计规范》、《建筑结构荷载规范》等国家标准；主要设计参数采用安全等级及抗震设防，抗震设防烈度为6和7度，风荷载基本风压为0.66kN/m2，混凝土强度为C15～C50，钢材型号为Q345。比较分析及参数控制采用中国建筑科学院PKPMCAD工程部编著的“高层建筑结构空间有限元分析设计软件—SATWE”及“PMSAP”进行[3]。计算包括混凝土容重、钢材容重、水平力夹角、竖向荷载计算、地震力计算、特殊荷载计算、风荷载计算等多项内容。两种方案的基本界面和材料等级对比如表1。

图1 建筑模型结构

表1 两种结构基本界面和材料等级对比

根据相关结构的分析比较，在6～7度的情况下，混凝土方案在地震增大的时候截面尺寸相应增大，在竖向构件上，基本增加8%左右，在截面的对比方面，钢结构在抗侧—核心筒配筋方面有所增大，强度标号有所提高，在梁板柱截面等方面均无显著差异，说明混凝土结构相比于钢结构对地震的反应力更为敏感。在地震荷载增加的情况下，混凝土结构最大内力始终有地震荷载决定，而钢结构重量较小，控制内力由风荷载转为地震荷载。当地震设防烈度从6上升为7的过程中，两种结构的地震力和倾覆力矩都上升到初始程度的两倍。混凝土的配筋率会随地震强度的增加而增加，竖向构件率上升到原有的1.5倍，但钢结构的变化较小，说明钢结构具有更好的延性，抗震能力更好。

在空间利用率上，钢梁的界面高度相对较小，在楼层净高固定的情况下，钢结构的楼层高度相对较小，减少了外围保护和内墙的面积，且节约了空调能源，减少建筑维护、使用费用。同时在总高度确定的情况下，钢结构可比混凝土结构多一层，增加建筑面积1100m2，具有更好的使用功能。

3 建筑房屋钢结构与混凝土结构的经济性对比

根据模型和相关计算软件的分析，在当前技术水平下，混凝土的核心筒结构单层的施工时间为6～10d，而钢结构核心筒结构的单层施工时间为2～4d，也就是说，只从地上建筑的设计来看，钢结构可比混凝土结构节省180d的工期，在经济效益上使用时间提前，工期缩短，减少了贷款利息等，具有更高的经济利益。从工程造价上说，钢结构在使用材料方面更具优势，见表2。

表2 两种结构主要使用材料对比

以此计算相关工程造价，可发现在地上部分，钢结构每平方米的工程造价约比混凝土结构的工程造价节省28%左右，地下部分两种结构造价无显著差异，在基础部分，钢结构的工程造价比混凝土的工程造价节省33%左右。同时有效使用面积的增加也会带来一定的经济效益。

4 结语

经过本次的分析对比，发现整体上钢结构的工程造价要比混凝土结构的工程造价少20%左右，同时由于工期的缩短，会减少相关的贷款利息，增加了建筑的收益。从技术性上来说，钢结构具有安装方便、抗震能力强、质量容易控制等优势，能更好配合当前市场需求。综上所述钢结构具有更好的实用性以及经济技术性，应在建筑行业推广，加快相关配套设施的建设。

[1]张茶子.结构体系绿色度的评价标准构建研究及定性分析[D].辽宁工程技术大学，2013.

[2]莫涛.钢结构交错桁架体系的弹塑性全过程分析理论与试验研究[D].湖南大学，2003.

[3]王振山.单层单跨变截面门式刚架结构梁柱节点与结构整体抗震性能研究[D].西安建筑科技大学，2013.