超高層建筑結構生命周期多維度經濟成本評估及優化方法

趙 昕，姜世鑫

（1.同濟大學 建筑設計研究院，上海 200092；2.同濟大學 建筑工程系，上海 200092）

近十年來，隨著世界各地經濟不斷發展，城市化進程越來越快，城市商業綜合體得到迅猛發展；另一方面，由于城市土地資源緊張，超高層建筑便成為政府及房地產公司投資的熱點。在建筑功能方面，超高層建筑主要以出租的形式進行商業、辦公、酒店、公寓等用途，所以其投資持有人一般固定不變；在社會影響方面，超高層建筑的高度、數量及外觀體現了一個城市經濟發達的程度，故其具有投資量大、建成后的使用周期長等特點；在結構體系方面，超高層建筑結構對抗震、抗風以及可靠度有較高的需求，故其結構體系復雜，結構構件尺寸大，結構構件檢測與維護費用相對較高。

針對上述特點，在超高層建筑結構初始設計階段，就應考慮結構生命周期范圍內的特征與形態，從經濟性的角度對不同的方案進行全生命周期的評估與優化，選取最優方案，使結構生命周期內的各項費用達到最小，增強結構的可持續能力，實現結構全生命周期的優化管理。

全生命周期成本費用這一概念最早來源于美國軍用設備管理，隨后應用于機械制造、航空航天等各個產業，二十世紀八九十年代，來自歐洲和美國的科學家Sarja，Frangopol等人就開始了對建筑、橋梁等結構的全生命周期性能研究[1]；美國國家標準與技術研究所（NIST）在其1995年出版的手冊中定義了建筑生命周期費用[2]：建筑或建筑系統在一段時間內包括持有、運營、維護以及廢棄的折現花費。1998年頒布的權威性《國際標準ISO2394》提出了建筑結構的經濟優化觀點[3]，從經濟的角度提出了結構全生命周期的優化目標，即使結構生命周期總費用趨于最小：

其中，Cb—初始建設成本；Cm—維護與拆除成本；Pf—結構生命周期內的失效概率；Cf—失效損失。

上述公式高度概括了建筑結構生命周期費用所包含的項目，除初始建設費用外，一部分是可控制的維護與拆除成本，另一部分是有一定隨機性的結構失效費用。造成失效的原因可能是外力作用，如較強的風荷載、地震荷載、火災、爆炸荷載等；也可能是內部作用，如材料的腐蝕老化等。對于現代超高層建筑結構來說，由于其建筑結構重要性系數較高，保養維護的投入也較高，加之目前生產的材料抗老化及抗腐蝕能力越來越強，在設計階段主要考慮的結構失效原因即為災害失效。災害失效主要取決于結構所處位置的地理環境因素，初始建設時結構或構件的抗震、抗風性能目標，結構建成以后的檢測、維護及修復也能夠通過提高結構質量來減少災害失效的損失。通過以上分析，建筑結構的生命周期費用項目以及它們之間的關系可用下圖來表示。

圖1 建筑結構生命周期費用項目關系圖

現今的超高層結構設計，比選不同方案的主要指標是經濟因素，但設計人員在考慮經濟因素時往往只注重不同方案的初始材料費用以及施工費用，這種考慮方式往往不夠全面，因為結構不僅在建設時會產生費用，在生命周期的各個階段都會產生不同的費用項目。因此，文章提出了一個更加完善的結構全生命周期經濟成本評價體系與方法，指導結構的設計與優化。

1 基于生命周期經濟成本的結構評估及優化體系

超高層結構的生命周期經濟成本評價體系可以分為三個維度：構件維度、方案維度以及費用項目維度，如下圖所示。在以往的超高層結構的設計中，設計人員在結構及構件造價的優化過程中主要考慮的是不同方案下不同構件的初始費用，即只考慮了下圖中初始費用對應的xz平面。

在基于生命周期的結構經濟成本評估優化方法中，必須計入結構生命周期內所有費用項目，即圖中的Y軸，這樣就將原來的二維經濟成本評估體系擴展到三維，如圖1所示，由二維擴展到三維的優化過程，可按照以下兩種方式進行：1）針對不同的方案，先在xy平面上進行優化，即計算不同方案下的結構全壽命周期總費用，然后比選不同方案，得出最終優化方案。2）先在yz平面上進行優化，選取某一個構件，針對該構件的不同方案計算其全生命周期費用，選取最優構件方案，然后將不同構件的最優方案進行篩選與組合，形成最終的方案。

圖2 三維結構經濟成本評價體系

對于一般建筑結構來說，由于其結構材料單一，體系相對簡單，在比選不同方案時，按照第1種方法進行即可。而超高層結構的結構體系比較復雜，一般為鋼材與混凝土混合結構，其結構構件尺寸較大，構件的力學性能也與傳統構件不盡相同。所以，對于超高層建筑結構來說，宜先進行整體方案優化，如結構體系的不同方案選擇等；再進行構件層次的優化。即先按照第1種方法宏觀控制結構的經濟成本，再按照第2種方法對構件進行局部優化，使結構更加完善。

超高層結構生命周期經濟成本的費用項目種類繁多，為了避免不同費用的重復計算，需要對不同時段不同情況下的費用進行細化統計，這樣原來的三維評價體系就擴展到了四維，如圖3所示。

圖3 四維結構經濟成本評價體系

2 結構生命周期主要費用項目計算方法：

2.1 初始費用與維護費用

初始費用主要由材料費用與施工費用組成，其中材料費用不僅指材料的造價，還要包括它在工廠預制的加工費用，以及加工完成后運輸到施工場地的費用，即材料到場費用。施工費用包含勞動力成本與施工器械費用兩部分，施工器械宜采用租賃的形式，這樣即節約經濟成本也有益于資源的循環利用。維護費用包含不同材料的維護費用：若構件暴露部分為鋼材，則需要定期的防腐防火涂裝，防止涂料過期，造成災害隱患；若構件暴露部分為混凝土，也需要定期進行涂刷與清理，防止保護層內的鋼筋銹蝕，但相比于鋼材，混凝土的維護費用較少，維護周期也較長，因此在進行方案對比時，可忽略其維護費用。由于維護是定期的，所以可以按照時間跨度計算總維護費用，而時間跨度可以取超高層結構的設計使用年限（一般為100年）。

2.2 災害失效費用

結構在生命周期內可能遭遇的災害主要有地震災害、風災、火災以及爆炸荷載等。由于一些災害發生概率極低，而且可以通過一定措施進行有效控制，所以暫不考慮其造成的失效費用。而地震災害在中國屬于頻發災害，且對結構的威脅也最大，所以此文主要考慮這部分損失費用。根據抗震設防規范與方法，這部分費用的計算主要對結構所在地區的場地基本烈度、結構抗震設防烈度，以及結構設計時的抗震性能目標進行經濟性的評估。在某個地震作用下，結構發生不同性能水準的破壞概率不同，在計算時，用不同的概率乘以對應的性能水準破壞損失，便可以得到總的失效費用。文章災害失效費用計算采用王光遠建議的損失系數方法[4]。

結構遭到破壞帶來的損失值D包括三個部分：D＝D（1）＋D（2）＋D（3）。

式中：D（1）——結構破壞本身的直接損失，指結構構件的損失和修復拆除的費用；D（2）——結構破壞而在屋內引發的損失，包括屋內設備、裝修、工藝品損失；D（3）——結構破壞引發的間接損失，包括停產、有毒物質泄漏等原因造成的社會經濟、政治、人身傷亡等損失。

表1 七度設防下結構或構件發生各種破壞的概率

2.3 拆除費用

超高層建筑一般為城市地標性建筑，因此其使用壽命一般都要高于其設計使用年限，而且只要維護保養得當，超高層建筑結構可以一直使用下去，所以一般情況下可不考慮其拆除費用。但是超高層建筑結構的構件可能因為災害失效、建筑功能改變等原因拆除，在進行生命周期經濟評估時，宜考慮其拆除費用。拆除方法主要有機械拆除法以及爆破拆除法，在工期允許的情況下，一般采用更為綠色和經濟的機械拆除法。拆除費用主要分為拆除工程費用、垃圾運輸處理費用以及材料回收費用，其中材料回收費用為負值，需要在總費用中減去該部分，這也體現了綠色可持續的建筑理念。

3 算例

根據以上基于生命周期經濟成本的評估優化方法，選取某超高層結構的框架柱設計實例。該超高層結構高度約為300m，采用了支撐框架 核心筒 環帶桁架混合結構體系，圖4為塔樓的結構體系構成圖。其中，外框架由型鋼混凝土柱、柱間支撐及鋼梁組成。沿塔樓立面布置了4道加強層，每道加強層由二層樓高的環帶桁架將外圍框架柱連接在一起，增加了外框結構的整體性和抗側能力。具體結構形式如下圖所示。

圖4-1 抗側力體系構成圖

圖4-2 加強層軸測圖

參考國內規范，將該超高層結構框架柱的備選方案設為型鋼混凝土柱與鋼管混凝土柱兩種。

3.1 設計參數

設某超高層結構框架柱截面最不利內力組合為：P＝1.5×108N；Mx＝1.2×107N·m；My＝0.8×107N·m；Vx＝1.2×106N；Vy＝1.5×106N。參照相關規范（主要為《鋼骨混凝土結構技術規程》YB 9082-2006與《鋼管混凝土結構設計與施工規程》CECS 28：90）對兩種方案柱截面參數設計及驗算如下：

圖5 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱截面對比

表2 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱設計參數對比

3.2 生命周期經濟成本計算

在進行兩種柱方案的經濟成本評估與計算時，主要需要注意以下幾點：

1）鋼骨混凝土柱由于需要鋼筋綁扎費用以及模板費用，故施工造價要高于鋼管混凝土柱。

2）鋼管混凝土柱由于鋼管暴露在外面，需要定期進行防腐、防火涂料維護與更換，所以其生命周期維護費用要高于鋼骨混凝土柱。

3）對于兩種柱的地震損失費用，參考《建筑地震破壞等級劃分標準》對兩種柱不同破壞等級下的損失系數定義如下表[5]。

表3 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱不同破壞等級下損失系數

此例中假設柱周圍裝修及設備價值為柱造價的1.5倍。最后根據損失系數以及概率數據確定地震損失，加入到生命周期總的經濟成本中進行方案對比。

4）拆除費用按照施工費用的70%取值，材料回收費用部分，鋼材按照初始造價的30%取值，混凝土部分忽略不計。

5）此例因僅進行方案的經濟性對比，暫不考慮費用貼現率及通貨膨脹率的影響。為使費用值無量綱化，取1m3混凝土的費用為1，其他費用價格參照市場價格及其與混凝土價格的比值進行計算。最終得出兩種柱的生命周期各項費用總結如下表。

表3 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱生命周期費用統計

續表3

3.3 評價

根據以上評估及計算結果，可以看出鋼管混凝土方案的生命周期經濟成本明顯高于鋼骨混凝土柱方案。主要原因是鋼管混凝土柱由于鋼材暴露在空氣中，定期進行維護的費用較高，加之超高層結構的生命周期較長，所以鋼管的維護費用在生命周期費用中占的比重較大。若僅考慮初始費用，則鋼骨混凝土柱初始費用高，鋼管混凝土柱經濟性占優，但這種評價方式顯然是不合理的。按照基于生命周期經濟成本的評估方法，應選用鋼骨混凝土柱方案。

4 結 論

文章相比以往的基于初始建設費用對超高層建筑結構進行經濟性評估與優化的方法，加入了生命周期的維度，即考慮了結構在時間維度下可能產生的費用項目，將原來的二維思考模式擴展到三維甚至四維空間中。通過這種方法，使設計人員在結構設計時就能明確以生命周期經濟成本為標尺的評價體系，針對這種體系選擇更為合理的結構形式與構件方案，最大限度節省資源、節約成本，實現結構的長遠利益。這種評價體系建立以后也方便業主在全生命周期的各個階段對結構進行管理，提高結構的耐久性，延長結構的使用壽命。

文章在第三部分選取了一個算例說明了基于生命周期經濟成本的評估方法在實際中的應用，該例雖然能夠選出最優方案，但對于龐雜的生命周期費用項目體系本例僅選取了具有決定作用的幾個部分，對于具體費用的計算仍缺乏精確性。若想要實現結構或構件生命周期經濟成本的準確評估與管理，就需要結構工程師與建筑的不同功能部門人員配合協作，建立完善的結構生命周期經濟成本數據庫。對于結構的初始費用評估，中國已經有專業的造價預算體系，但是對運營階段的維護費用以及結構失效后的經濟損失，還沒有完善的數據系統可供查詢。只有強有力的數據保障，才能建立完善的生命周期經濟評價體系，實現超高層結構生命周期全過程的優化設計與管理。

[1]FRANGOPAL D M，LIN K Y，A C ESTES.Life-cycle cost design of deteriorating Structures[J].Journal of Structural Engineering，1997，10：1390-1401.

[2]FULLER S K，PETERSON S R.Life-cycle cost manual for the federal energy management program[M].U.S.Department of Commerce，1995.

[3]ISO 2394.General principles on reliability for structures[S].Geneva：International Organization for Standardization；1998.

[4]王光遠，季天健，張鵬.抗震結構全壽命預期總費用最小優化設計[J].土木工程學報，2003，36（6）：1-6

[5]建設部（1990）建抗字第377號.建筑地震破壞等級劃分標準[S].

[6]王光遠，邵卓民，等.抗震結構的最優設防烈度與可靠度[M].北京：科學出版社，1999.

[7]吳煒煜，岳媛媛.基于多維費用陣列的工程項目信息管理[J].清華大學學報：自然科學版，2007，47（12）：2095-2099.

[8]董建，陳光.工程項目全壽命周期費用體系研究[J].土木工程學報，2010，43（2）：138-142.

[9]WEN YK，KANG YJ.Minimum building Life-cycle cost design criteria.I Methodology[J].Journal of Structural Engineering，2001，3：330-337.

[10]WEN YK，KANG YJ.Minimum building Life-cycle cost design criteria.II Applications[J].Journal of Structural Engineering，2001，3：339-346.

[11]陳艾榮.基于給定結構壽命的橋梁設計過程[M].北京：人民交通出版社，2009：132-150.

[12]金偉良，鐘小平，胡琦忠.可持續發展工程結構全壽命周期設計理論體系研究[J].防災減災工程學報，2010，30（9）：401-406.

[13]張海霞.基于循環經濟視角的建（構）筑物拆除和建筑垃圾管理研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[14]Narasimhan H，Chew MYL.Integration of durability with structural design：an optimal life cycle cost based design procedure for reinforced concrete structures[J].Construction and Building Materials，2009，23：918–929.

[15]Mitropoulou CC，Lagaros ND，Papadrakakis.M.Life-cycle cost assessment of optimally designed reinforced concrete buildings under seismic actions[J].Reliability Engineering and System Safety，2011，96：1311–1331.

[16]Cariaga I，El-Diraby T，Osman H.Integrating value analysis and quality function deployment for evaluating design alternatives[J].Journal of Construction Engineering and Management，2007，133（10）：761–770.