多層基礎(chǔ)隔震建筑的經(jīng)濟(jì)性分析

王海飆 王龍鳳

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

我國(guó)大陸位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶交匯部位，屬于地震多發(fā)地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)30個(gè)省份發(fā)生過(guò)6級(jí)以上地震；19個(gè)省份發(fā)生過(guò)7級(jí)以上地震；12個(gè)省份發(fā)生過(guò)8級(jí)地震。地震活動(dòng)分布廣，村鎮(zhèn)建筑使用的建筑材料多數(shù)是脆性材料，抗震性能差，這些自建的村鎮(zhèn)建筑多數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣的作法，基本不按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致村鎮(zhèn)建筑的抗震能力更差。地震的破壞性為廣大村鎮(zhèn)帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失并且阻礙了村鎮(zhèn)的發(fā)展，隨著新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)，村鎮(zhèn)建筑的要求全面提高，村鎮(zhèn)建筑的抗震能力受到各方的關(guān)注。建筑隔震技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，并獲得迅速發(fā)展。近年來(lái)，城市一些新建的重要建筑(如醫(yī)院、學(xué)校)使用隔震技術(shù)，但考慮到村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費(fèi)水平，隔震建筑的運(yùn)用和推廣受到阻礙。隔震建筑與一般建筑不同，地震時(shí)底部的隔震層會(huì)產(chǎn)生數(shù)十厘米的變形，因此在建筑周邊需要一定的空間，而廣大的村鎮(zhèn)建筑用地相對(duì)寬裕，隔震建筑在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建造不會(huì)受到空間的影響。本文從土建總造價(jià)、檢查維護(hù)費(fèi)、失效損失費(fèi)和社會(huì)效益與環(huán)境效益五個(gè)方面分析比較多層基礎(chǔ)隔震建筑和傳統(tǒng)抗震建筑費(fèi)用效益的差異，為投資方和設(shè)計(jì)人員提供村鎮(zhèn)多層隔震建筑經(jīng)濟(jì)性分析的參考。

2 基礎(chǔ)隔震建筑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

隔震建筑因多增加隔震層，隔震建筑的初始建造費(fèi)也有所增加，在同等設(shè)防烈度條件下，上部結(jié)構(gòu)的工程量會(huì)有相應(yīng)的減少，以下主要選取兩種不同抗震形式的建筑物存在較大費(fèi)用差別的指標(biāo)進(jìn)行定量比較分析，并從社會(huì)效益和環(huán)境效益定性比較分析(如表1所示)。

表1 隔震建筑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.1 初始總造價(jià)

隔震建筑比傳統(tǒng)的建筑多出隔震層的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)費(fèi)上有所增加，增加范圍為0.1%～0.5%[1]。采用隔震措施而增加的隔震層等相關(guān)費(fèi)用用CI-iso表示:

CI-iso(Id)=β(Id)×[1+α(Id)]C0

(1)

(2)

其中，α(Id)為抗震設(shè)防造價(jià)增加系數(shù)，文獻(xiàn)[3]給出了工程造價(jià)的增加系數(shù)值；Cs為不采用隔震措施而直接采用抗震措施設(shè)計(jì)建造的初始造價(jià);C0為不考慮抗震設(shè)防時(shí)結(jié)構(gòu)的初始造價(jià)；β(Id)為隔震費(fèi)用增加率，文獻(xiàn)[2]統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明:7度、8度和9度設(shè)防地區(qū)β(Id)平均值分別為6.2%,8.5%和9.5%。

隔震建筑的上部結(jié)構(gòu)可降低烈度設(shè)計(jì)，在同等抗震設(shè)防烈度下，因采用隔震技術(shù)上部結(jié)構(gòu)的梁柱尺寸以及配筋都有減小，鋼筋混凝土和砌體結(jié)構(gòu)工程的費(fèi)用會(huì)比傳統(tǒng)抗震建筑有所降低。采用文獻(xiàn)[2]對(duì)不改變建筑結(jié)構(gòu)型式的隔震方案計(jì)算上部節(jié)約的費(fèi)用Csd：

2.2 檢查維護(hù)費(fèi)

為保證結(jié)構(gòu)的使用功能和安全性，進(jìn)行補(bǔ)修發(fā)生的費(fèi)用。結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)還沒(méi)有一致的計(jì)算，馬宏旺提出對(duì)鋼筋混凝土維修費(fèi)Cm和結(jié)構(gòu)反應(yīng)之間的分段近似函[4]:

(3)

其中，CRh為重建費(fèi)用；δu為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移反應(yīng)；δuy為屈服位移；δup為極限位移。

對(duì)于隔震建筑考慮到隔震層的檢查維護(hù)費(fèi)，隔震建筑檢查維護(hù)費(fèi)包括上部結(jié)構(gòu)和隔震層的支座，由于隔震支座采用耐老化材料制作并且壽命比建筑物的壽命還長(zhǎng)，一般情況下不需要對(duì)隔震支座檢查更換，所以隔震支座的維修費(fèi)可以不計(jì)。隔震建筑的上部結(jié)構(gòu)的檢查維修費(fèi)和普通建筑的檢查維修費(fèi)計(jì)算方式相同，可以采用上述公式計(jì)算。

2.3 失效損失費(fèi)

地震作用下，隔震建筑的失效損失由隔震層和上部結(jié)構(gòu)的建筑物的損失、間接經(jīng)濟(jì)損失和室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失構(gòu)成，各類(lèi)損失公式如下：

建筑物構(gòu)筑物自身破壞的損失：

(4)

室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失：

(5)

直接經(jīng)濟(jì)損失：

CLD(Id)=φ×(CL1(Id)+CL2(Id))

(6)

間接經(jīng)濟(jì)損失：

CL3(Id)=(γ+θ)×CLD(Id)

(7)

上部結(jié)構(gòu)總經(jīng)濟(jì)損失：

CL=CLD(Id)+CL3(Id)

(8)

2.4 社會(huì)效益

本文對(duì)隔震建筑的社會(huì)效益分析選用了影響較明顯的三個(gè)指標(biāo)：土地增值、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和房地產(chǎn)行業(yè)的綜合效益。與傳統(tǒng)建筑相比土地的增值主要因隔震建筑的上部結(jié)構(gòu)尺寸減小，相應(yīng)的房屋使用面積增加或者隔震建筑的層數(shù)增加，使用面積的增加量等于上部結(jié)構(gòu)尺寸減少量或者層數(shù)的增加，高效的利用土地資源。隔震建筑的出現(xiàn)帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如隔震支座行業(yè)在種類(lèi)和技術(shù)上的研發(fā)改進(jìn)；橡膠行業(yè)的深加工和開(kāi)發(fā)利用等。隔震建筑為傳統(tǒng)建筑開(kāi)發(fā)新視角，房地產(chǎn)綜合效益有了新的突破點(diǎn)，高效的利用土地資源，節(jié)約建筑材料符合可持續(xù)發(fā)展，居住空間面積增加，安全性和舒適性顯著提高。

2.5 環(huán)境效益

1)節(jié)約社會(huì)環(huán)境資源。

在房產(chǎn)整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中，消耗大量的人力物力以及對(duì)周?chē)鐣?huì)環(huán)境造成一定的影響。隔震建筑因上部結(jié)構(gòu)尺寸的減小，進(jìn)而使得工程量減少，節(jié)約了建筑材料和人力的投入；在建設(shè)過(guò)程中也減少了對(duì)周?chē)h(huán)境的噪聲污染、空氣污染等，減輕了對(duì)項(xiàng)目周邊居民的生活造成的不便。

2)減少震后環(huán)境污染。

隔震建筑與傳統(tǒng)抗震建筑比，最大的優(yōu)勢(shì)就是抗震能力明顯提高。受災(zāi)區(qū)的建筑物經(jīng)歷地震洗劫之后，一些抗震能力不足的建筑物喪失其安全使用功能甚至完全坍塌需要重建，為社會(huì)造成不可估計(jì)的損失。隔震建筑利用隔震層的緩沖減少地震能量傳遞，使上部結(jié)構(gòu)得到很好的保護(hù)，隔震建筑不需要大幅度檢修，只要更換隔震支座即可；同時(shí)還可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)災(zāi)區(qū)人民正常的生活，震后的次生災(zāi)害(瘟疫、火災(zāi)和爆炸等)也會(huì)減少，有效的保護(hù)災(zāi)區(qū)環(huán)境。

3 實(shí)例分析

以實(shí)例進(jìn)行分析，原設(shè)計(jì)為6層住宅樓,占地面積405 m2,建筑面積2 025 m2。地上5層,局部6層。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度。原結(jié)構(gòu)概算總價(jià)為220萬(wàn)元。

1)初始造價(jià)。

該結(jié)構(gòu)直接采用傳統(tǒng)抗震措施的初始造價(jià)CS=200萬(wàn)元;隔震層的設(shè)計(jì)費(fèi)取0.2%，因此設(shè)計(jì)費(fèi)增加0.4萬(wàn)元。隔震上部結(jié)構(gòu)初始造價(jià)CSd=11.20萬(wàn)元;隔震結(jié)構(gòu)增加費(fèi)用CI-iso=15.70萬(wàn)元;隔震結(jié)構(gòu)的初始造價(jià)200+0.4+15.70-11.20=204.9萬(wàn)元，隔震建筑比傳統(tǒng)抗震建筑增加4.9萬(wàn)元。

2)檢查維護(hù)費(fèi)。

前文介紹過(guò)，隔震層維護(hù)費(fèi)為0。隔震建筑只考慮上部結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)。現(xiàn)在普通建筑的維護(hù)費(fèi)一般是初始造價(jià)的2%，傳統(tǒng)抗震建筑維護(hù)費(fèi)Cm=200×2%=4萬(wàn)元。考慮到隔震結(jié)構(gòu)上部安全性提高，結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)輕，本文取初始造價(jià)的1%，Cm=204.9×1%=2.05萬(wàn)元，隔震建筑比傳統(tǒng)抗震建筑減少1.95萬(wàn)元。

3)失效損失費(fèi)。

本例中為了簡(jiǎn)化這部分計(jì)算量，隔震和非隔震總損失比分別為2.7%和18.1%[2]。假定室內(nèi)財(cái)產(chǎn)和建筑物價(jià)值一樣，那么損失值為4.10萬(wàn)元和36.82萬(wàn)元。隔震建筑的全壽命費(fèi)用：204.9+2.05+4.10=211.05萬(wàn)元；傳統(tǒng)抗震建筑的全壽命費(fèi)用：200+4+36.82=240.82萬(wàn)元。雖然隔震建筑比傳統(tǒng)抗震建筑初始造價(jià)高4.9萬(wàn)元，但全壽命費(fèi)用比較中隔震建筑比傳統(tǒng)抗震建筑節(jié)省29.77萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文從建筑全壽命費(fèi)用對(duì)比分析隔震建筑和傳統(tǒng)建筑存在的費(fèi)用差異，經(jīng)過(guò)實(shí)例分析，隔震建筑安全性和經(jīng)濟(jì)性比傳統(tǒng)抗震建筑更適合當(dāng)下新鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)的需要；從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，隔震建筑的社會(huì)效益和環(huán)境效益符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。

2)隔震建筑與傳統(tǒng)抗震建筑存在很多費(fèi)用上差異，本文只分析了兩者較大費(fèi)用差異的指標(biāo)不夠全面。在今后的研究中，應(yīng)該更細(xì)致、深入的分析兩者費(fèi)用和效益對(duì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的影響。