基于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建筑經(jīng)濟(jì)性分析

胡俊強(qiáng)（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州　450015）

基于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建筑經(jīng)濟(jì)性分析

胡俊強(qiáng)
（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450015）

建筑結(jié)構(gòu)作為建筑物的骨架，其設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響著建筑的經(jīng)濟(jì)性。研究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系可以有效減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的損失與浪費(fèi)，對保證建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性具有重要意義。該文從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度分析建筑經(jīng)濟(jì)性，分別從建筑結(jié)構(gòu)選型、建筑材料以及舊建筑改造三方面分析其對建筑經(jīng)濟(jì)性的影響。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑設(shè)計(jì)工作者不僅要掌握建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識，還要對設(shè)計(jì)過程中的薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)相關(guān)知識的積累，以期獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的建筑設(shè)計(jì)方案。另外，舊建筑改造設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新建建筑，其在節(jié)約造價(jià)、縮短工期以及保存城市文化等方面具有明顯優(yōu)勢。

建筑經(jīng)濟(jì)性；建筑結(jié)構(gòu)；建筑改造

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.059

0　前言

根據(jù)相關(guān)研究，建筑結(jié)構(gòu)工程造價(jià)占建筑物總量的30%～40%，工程的施工工期約占總工期的40%～50%。結(jié)構(gòu)的跨度影響為-21%～15%；高度影響為8.3%～33.3%；層數(shù)影響為10%～20%；層高影響為-21%～13%；多跨不同長寬比影響為4%～7%；平面型式影響為1%～10%；平均居住面積影響為-6%～4%；建筑外形影響為3%～8%；進(jìn)深的影響為-3%～1%；跨數(shù)的影響為2%～3.5%，由此可見，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于建筑物建造的經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的作用［1-3］。如由著名設(shè)計(jì)大師貝聿銘設(shè)計(jì)，利用有限的資金在有限的土地上建成了傳頌至今的香港中銀大廈。從另外一方面講，未基于自有的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，卻采用浮夸的建筑結(jié)構(gòu)形式，大大增加了投資預(yù)算，反而其安全性并未得到提高，浪費(fèi)了大量的人力物力，如中央電視臺總部大廈［4］。文章主要從建筑結(jié)構(gòu)選型、建筑材料以及舊建筑改造方面對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

圖1　耶魯大學(xué)英格斯冰場

1　結(jié)構(gòu)選型對建筑經(jīng)濟(jì)性影響分析

1.1結(jié)構(gòu)體系的合理性

任何建筑形式都要通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)施，結(jié)構(gòu)的合理性一是要保證結(jié)構(gòu)安全性，二是要滿足受力科學(xué)合理、傳力簡潔、節(jié)約造價(jià)。結(jié)構(gòu)的合理性體現(xiàn)的是建筑的內(nèi)在美，結(jié)構(gòu)受力的科學(xué)合理是與建筑的外形美觀相一致的［5-6］?？紤]結(jié)構(gòu)與建筑形式的關(guān)系，必須結(jié)合科學(xué)的傳力系統(tǒng)和合理的受力方式，受力合理性和傳力的科學(xué)性在很大程度上取決于設(shè)計(jì)者對結(jié)構(gòu)受力情況的了解。設(shè)計(jì)者對建筑結(jié)構(gòu)中各分部系統(tǒng)的受力狀態(tài)包括荷載的特點(diǎn)、受力性質(zhì)和大小等，都應(yīng)有清晰的概念和系統(tǒng)的認(rèn)知。如圖1所示，為耶魯大學(xué)的英格斯冰場，是建筑師埃羅·沙里寧別出心裁的設(shè)計(jì)，該建筑是一個巨大的鋼筋混凝土拱形脊骨跨越約85m的建筑物全長。型式不是幾何上預(yù)先確定的。

在縱向附加上一組鋼索，這樣產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)保證了屋面的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)中所有的曲線都是“自由式的”。整個建筑室內(nèi)外樸素簡潔，懸索結(jié)構(gòu)自然外露，不加任何修飾，減少了部分的外型裝修費(fèi)用。建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)形態(tài)在各種各樣情況中相適應(yīng)。在荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力后一般會產(chǎn)生彎矩，彎矩不僅是結(jié)構(gòu)計(jì)算的重的因素，也是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的一個重要的判斷依據(jù)。建筑設(shè)計(jì)時(shí)，通過彎矩與其相關(guān)力學(xué)概念，可以幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思。”［5-6］如圖2所示德國柏林電視塔的結(jié)構(gòu)的流線完全是按照自身的受力彎矩圖來進(jìn)行建造施工的，形如懸臂梁其彎矩在根部較大，與其受力彎矩包絡(luò)圖非常相似，建筑形態(tài)結(jié)合結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布而建，會賦予原來簡單結(jié)構(gòu)新的活力和動感。

圖2　德國柏林電視塔

1.2與使用空間相結(jié)合

建筑空間，都是人們利用物質(zhì)材料從自然空間中圍隔出來的［7］。使用空間的設(shè)計(jì)離不開創(chuàng)造空間的技術(shù)手段-結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)空間是按材料性能和力學(xué)規(guī)律圍成的空間。當(dāng)結(jié)構(gòu)空間與建筑空間合理保持一致，可大幅度提升空間利用率。因此，如何處理建筑空間與結(jié)構(gòu)空間，結(jié)構(gòu)形態(tài)和使用空間的關(guān)系，對建筑經(jīng)濟(jì)性重要性不言而喻。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了建立合理的使用空間。根據(jù)建筑特定的功能都需要相應(yīng)有一種結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑材料使用所遵循的客觀規(guī)律，建筑師對視覺空間進(jìn)行藝術(shù)加工和處理，這是現(xiàn)代建筑能夠達(dá)到符合審美的最本質(zhì)、最經(jīng)濟(jì)的建筑創(chuàng)作方法。如圖3所示，為GMP建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所設(shè)計(jì)的重慶大劇院［7-8］，是一個典型的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用空間合理結(jié)合的成功案例，該方案充分利用了重慶的山區(qū)特殊地形，減少了項(xiàng)目投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)使用空間的具體情況，調(diào)整建筑形體：建筑結(jié)構(gòu)為筒體（電梯井）-框架-剪力墻和鋼結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)體系，舞臺和觀眾廳為抗震墻，屋頂為輕鋼結(jié)構(gòu)，類似板塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用大懸挑處理。根據(jù)觀眾席地面起坡要求和舞臺高度要求，對觀眾大廳的使用空間進(jìn)行高低錯落的結(jié)構(gòu)處理，既很好的利用了使用空間，又與建筑方案的創(chuàng)意效果不謀而合。

圖3　重慶大劇院

2　建筑材料對建筑經(jīng)濟(jì)性影響分析

2.1建筑材料特性

木結(jié)構(gòu)是我國古代主要的結(jié)構(gòu)形式，通過合理地選擇建筑結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮木材特性，使很多古老的建筑保存至今，依然完好如初?，F(xiàn)代的木結(jié)構(gòu)，利用膠合重組技術(shù)，不但可以提高材料的強(qiáng)度，改善原木力學(xué)性質(zhì)，又能最大程度利用原材料，充分利用小塊、邊角木料。通過與鋼結(jié)構(gòu)、氣膜等結(jié)構(gòu)重新組合，可用于較大結(jié)構(gòu)空間的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)新材料應(yīng)用主要有：新型高強(qiáng)度鋁合金、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋、合成材料、氣膜膜材等［9］。在同等條件下，應(yīng)盡量選用高強(qiáng)度的建筑材料，如HRB335：HRB400：HRB500，價(jià)格比接近，但抗拉強(qiáng)度比值為300∶360∶500=1∶1.2∶1.6，可見采用高強(qiáng)鋼筋的經(jīng)濟(jì)性更高。

圖4　1998年里斯本世博會葡萄牙館

如圖4所示，在結(jié)構(gòu)工程師西塞爾·貝爾蒙德與葡萄牙建筑師西扎合作的1998里斯本世博會葡萄牙館。他們把結(jié)構(gòu)幾何、力學(xué)和建筑材料進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)，通過簡潔結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了完美的演繹，簡潔的結(jié)構(gòu)形式和簡單的建筑材料完美結(jié)合，表達(dá)出不可思議的美感。

2.2運(yùn)用新型材料

新型材料的不斷發(fā)展，具有獨(dú)特用途的材料層出不窮，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域有強(qiáng)的適應(yīng)性，廣泛用于各種環(huán)境的建筑設(shè)計(jì)，可以應(yīng)對更多方面的設(shè)計(jì)問題，而且在材料的使用上比傳統(tǒng)材料更便捷、成本更低。新型建筑材料既可以提升建筑使用功能和空間環(huán)境，加快施工，還能降低后期維護(hù)費(fèi)用。使用越靈活、運(yùn)用范圍越廣的建筑材料，對建筑成本的限制越小，新型建筑材料的開發(fā)引起建筑生產(chǎn)技術(shù)的飛躍發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大跨度、超高層、大懸挑、抗撞擊、抗震等結(jié)構(gòu)形式提供了新的思路和手段。新型建筑材料的進(jìn)一步發(fā)展，不但增加了建筑設(shè)計(jì)的靈活性，還使建筑材料本身更具經(jīng)濟(jì)性。如圖5所示，為德國的landesgartenschau展廳，由德國斯圖加特大學(xué)的一個技術(shù)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建造，該建筑原型作為一個畫廊空間，通過使用機(jī)器人制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超輕木質(zhì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用多種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具，殼狀構(gòu)造是由聯(lián)鎖櫸木膠合板組成的，里面有一個125m2的大廳。該項(xiàng)目巧妙的運(yùn)用新材料，細(xì)薄的承重結(jié)構(gòu)只需要12m2的櫸木50mm厚膠合板?？胺Q同類建筑的首創(chuàng)。另外，在剪裁聯(lián)鎖木板中產(chǎn)生的幾乎所有廢料都在制造木地板的過程中重復(fù)使用。在通過數(shù)碼預(yù)制了結(jié)構(gòu)和構(gòu)建層（如隔熱層、防水層和包層）的所有原件后，現(xiàn)場組裝僅用4周時(shí)間就完成了。新材料的應(yīng)用使之取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖5　德國l andesgar tenschau展廳

2.3運(yùn)用地方材料

不同的地方，建筑材料體現(xiàn)著不同的地域風(fēng)情，而同樣的材料由于文化背景及當(dāng)?shù)丶庸すに嚥煌憩F(xiàn)出不同的地域特色。隨著科技創(chuàng)新，傳統(tǒng)地方材料逐漸不再受地域性和技術(shù)條件限制，在建筑中合理的利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，既能夠使建筑具有地域特色，還大幅度節(jié)約運(yùn)輸建筑材料費(fèi)用，使建筑更具經(jīng)濟(jì)性。如圖6所示，為越南的ha giang竹子住宅，越南建筑事務(wù)所H&Parchitects設(shè)計(jì)的初衷是為低收入群體提供住宅。這個竹子住宅項(xiàng)目利用成堆的垃圾石粉、廢棄水瓶和輪胎與其它當(dāng)?shù)赜袡C(jī)材料（土、樹葉屋頂、繩子、花、觀賞植物）相結(jié)合來建造。用這種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)將減少森林砍伐和環(huán)境污染，節(jié)省空間。

圖6　越南竹子住宅

又如圖7所示，為高黎貢手工造紙博物館，由華黎/TAO跡·建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)，高黎本身就具有顯著的地域性與特色的文化環(huán)境。手工造紙博物館的作用在于向世人展示當(dāng)?shù)卦旒埖臍v史、文化、工藝和產(chǎn)品等，作為當(dāng)?shù)氐奈幕行暮凸不顒?/p>

中心對外進(jìn)行文化交流。建筑師基于建筑從建造角度是與“當(dāng)?shù)亍钡囊环N深入的結(jié)合的思想，采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑材料包括木、竹子、火山石等，結(jié)構(gòu)采用地域特色的木結(jié)構(gòu)并結(jié)合現(xiàn)代構(gòu)造做法。博物館大量節(jié)省了材料費(fèi)用，在一定程度上促進(jìn)了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)資源保護(hù)和發(fā)展。

圖7　云南高黎貢手工造紙博物館

3　舊建筑改造對建筑經(jīng)濟(jì)性影響

圖8　法國筒倉1 3建筑

城市的發(fā)展處于一個不斷更新的動態(tài)過程，日漸增多的舊建筑成為很多城市需要解決的問題。通過適當(dāng)?shù)母脑煸O(shè)計(jì)可使舊建筑恢復(fù)或產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)性。舊建筑改造與新建相比，能夠節(jié)約1/3的造價(jià)，不僅可以大大降低投資方初期投資，還利用原有的基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)工期更短，使業(yè)主在建設(shè)時(shí)間上有更多的選擇，舊建筑改造在經(jīng)濟(jì)性方面具有無可比擬的優(yōu)勢。如圖8，為法國的一個廢棄的水泥廠筒倉建筑，后改造為一個城市雕塑，成為一件獨(dú)特的藝術(shù)品。舊建筑改造為巴黎獨(dú)具特色的城市藍(lán)圖增添了一道靚麗的風(fēng)景［10］。建筑的文化性和經(jīng)濟(jì)性都是城市的重要屬性，二者并不矛盾，應(yīng)當(dāng)互相促進(jìn)、互利共生。隨著時(shí)代發(fā)展，城市建筑逐漸融入歲月沉淀的內(nèi)涵，其所蘊(yùn)含的歷史文化價(jià)值改造后可轉(zhuǎn)化為更大的商業(yè)價(jià)值。

4　總結(jié)

文章研究了建筑結(jié)構(gòu)對建筑經(jīng)濟(jì)性的影響，深入分析了建筑結(jié)構(gòu)造型、建筑材料、建筑改造對建筑經(jīng)濟(jì)性的影響，通過對上述研究工作、研究成果進(jìn)行歸納，文章主要得到以下認(rèn)識及結(jié)論：

（1）經(jīng)濟(jì)性在建筑活動中有著重要的作用與影響，和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是緊密聯(lián)系的。包括結(jié)構(gòu)選型、材料選擇和施工等，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對建筑經(jīng)濟(jì)性的影響。

（2）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)空間與使用空間，盡可能發(fā)揮材料特性，采用新型材料和當(dāng)?shù)亟ㄖ牧希瑢ㄖ慕?jīng)濟(jì)性影響十分顯著。

（3）舊建筑改造設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新建建筑。近年來，我國城市化進(jìn)程不斷快速發(fā)展，隨著城市的發(fā)展，新建建筑日趨飽和，舊建筑改造將成為我國建筑界新的研究熱點(diǎn)。

［1］張建平.建筑工程計(jì)價(jià)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

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［10］晁陽.工業(yè)建筑與城市建設(shè)-巴黎東部新區(qū)水泥配送中心［J］.建筑與文化，2014.

責(zé)任編輯：孫蘇

Analysison ArchitecturalEconomy Based On Architectural Structure Design

As the skeleton of the architecture，architectural structure design hasan important influenceon thearchitectureeconomy.Studying the relationship between architecture economy and architecturalstructure can reduce the lossand waste in the later design phase and ensure the reasonability of architecture design.Thispaper，from the perspective of building structural design，analyses the influenceon architectureeconomy from the threeaspects of building structure selection，buildingmaterials and old building reconstruction.In the architecturaldesign phase，architectural designer should notonly master the professionalknow ledge in the field of architectural design，butalso accumulate abundantknow ledge of theweak design process，so he could obtain thearchitectural design schemew ith the greatesteconom ic benefits.In addition，the old building reconstruction has better economy than that of a new ly-builtone，for ithasobviousadvantagesin construction cost，construction period and urban culturalstructurepreservation.

architectureeconomy；architecturalstructure；building reconstruction

TU201.7

A

1671-9107（2015）10-0059-04

2015-08-26

胡俊強(qiáng)（1984-），男，河南滑縣人，博士，工程師，主要從事土木工程防災(zāi)、減災(zāi)方面的研究。