高层厂房结构体系经济性对比分析

Economic Comparative Analysis of Structure System for High-Rise Factory Buildings

摘要

为实现我国制造强国的战略目标以及满足大城市迫切发展新兴产业集群的需求，原有城市增量发展模式难以为继。而新增工业用地又严重紧缺，因此“工业上楼”模式应运而生，成为近年来大城市高质量发展工业的首选模式。鉴于“工业上楼”相比常规工业建筑有较高的设计要求，本研究以深圳地区某高层“工业上楼”项目为例，在其他基本设计参数保持一致的情况下，分别对比分析了混凝土结构与钢结构两种结构体系的结构计算指标差异，以及不同产业荷载、不同柱跨、不同层高等设计参数对整体结构材料用量的影响。同时叠加考虑不同结构体系的工期差异，进而对比不同结构体系的综合工程造价经济性，为类似“工业上楼”工程提供设计参考。

Abstract

In order to achieve the strategic goal of manufacturing power in our country and the urgent need of developing new industrial clusters in big cities， the original urban incremental development model is difficult to continue. Because of the serious shortage of new industrial land， the“industry upstairs” mode has emerged and become the preferred mode of high-quality industrial development in big cities in recent years. In view of the higher design requirements of “industry upstairs” compared with conventional industrial buildings， this paper takes a high-rise “industry upstairs” project in Shenzhen as an example， under the condition that the other basic design parameters are consistent， to analyse the differences of structural calculation indexes between concrete and steel structure systems. In addition， the influences of design parameters including industrial load， column span and story height on the overall material consumption are investigated. Meanwhile，considering the construction period difference， the cost of different structural systems is compared， which can provide reference for similar “industrial upstairs” projects.

Graphical abstract

关键词

工业上楼 / 工业荷载 / 大小柱网 / 混凝土结构 / 钢结构 / 经济性

Key words

industry upstairs / industrial load / large and small column grids / concrete structure / steel structure / economy

0 引 言

近年来，我国制造业由低附加值的劳动密集型向高附加值的技术密集型转变，推动了产业集成度的不断提高，从而对建筑工业化提出了持续的升级需求。对于我国主要大城市，早期粗放式、规模化的城市增量发展模式已难以为继，产业空间拓展处于两难境地，而新增工业用地严重紧缺，传统单一的城市更新又会带来推高用地容积率的问题，高标准厂房与高质量发展的制造业要求严重不匹配。

为响应国家实现制造强国的战略目标，深圳市在2022年发布了《深圳市人民政府关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见》，明确要培育发展壮大“20+8”产业集群，即发展以先进制造业为主体的20个战略性新兴产业集群，前瞻布局8大未来产业，稳住制造业基本盘，增强实体经济发展后劲，加快建设具有全球影响力的科技和产业创新高地。在大城市迫切发展新兴产业集群与工业用地严重紧缺的情况下，“工业上楼”模式应运而生，成为大城市高质量发展工业的首选模式。2021年7月，国家发展改革委印发了《国家发展改革委关于推广借鉴深圳经济特区创新举措和经验做法的通知》，在保障工业发展空间的内容中，明确提出推广“工业上楼”模式。“工业上楼”模式可以促进土地集约化利用和优化产业结构，能极大地提高工业垂直空间的利用效率，有效解决大城市工业用地紧张的问题。

“工业上楼”是一种让企业在高层楼房中进行工业生产的新型产业空间发展模式，也因此对工业建筑的层高、荷载、隔振等方面存在较高要求，而这些设计条件均对项目建设成本有较大影响。曹守刚等^［1-2］以多层大跨工业厂房为例，研究对比了钢筋混凝土空腹夹层板楼盖盒式结构与常规混凝土框架结构的力学性能和经济效益；胡晓文等^［3］以某多层立式粮仓厂房框架结构为例，对比了钢筋混凝土结构、钢结构和钢混凝土组合结构三种结构体系的经济指标及结构抗震性能。

鉴于现有研究以多层工业厂房体系为主，针对“工业上楼”模式的高层工业厂房研究较少，本研究以深圳市某在建智能网联汽车制造类“工业上楼”项目为研究对象，比较混凝土结构与钢结构两种结构体系在不同产业（标准）荷载、不同柱跨、不同层高等设计参数作用下对结构设计指标的影响以及对“工业上楼”工程经济性的影响。

1 结构体系与设计参数

1.1　结构体系

该项目设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，考虑一层地下室，层高为5.5 m，结合后期产业需求，首层层高为8 m，2—6层层高为6 m，7—12层层高为4.5 m，结构高度为65 m。楼盖采用单向双次梁形式^［4-5］，首层楼板为嵌固端，板厚为180 mm，其余各层板厚为120 mm。对于工业建筑，产业生产线的宽度需求决定柱网的跨度。常规单条生产线净宽为2.5 m左右，考虑中间走道1.1m，选取研究有两条生产线的8.7 m×8.7 m的柱跨［简称“小柱网”，如图1（a）所示］和有三条生产线的8.7 m×12.3 m的柱跨［简称“大柱网”，如图1（b）所示］。对于8.7 m×8.7 m柱网采用7×7柱跨平面布置，8.7 m×12.3 m柱网采用5×7柱跨平面布置，根据生产需要，电楼梯等附属功能区域均外置。计算模型考虑混凝土结构与钢结构两种结构体系，剪力墙和钢支撑均主要外置于功能区，如图2所示。其中钢结构体系采用圆钢管混凝土柱和钢梁，楼板采用钢筋桁架楼承板。

该工程属于丙类建筑，抗震设防烈度为７度，设计基本地震加速度为0.1g，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s。对于混凝土结构体系，框架抗震等级取二级^［6-7］。对于钢结构体系，钢框架抗震等级取三级。

1.2　荷载取值及层高设置

1.2.1　风荷载

基本风压^［8］，按深圳50年重现期的风压，取0.75 kN/m²，体型系数取+0.8，-0.5；地面粗糙度为C类，风压高度变化系数根据规范要求取值，风振系数取1.0。

1.2.2　恒荷载

恒荷载考虑100 mm厚的建筑面层以及0.5 kN的吊挂荷载，取2.5 kN/m²。

1.2.3　活荷载

不同产业上楼荷载需求不同。为了使研究更加具有代表性与典型性，通过相关企业走访调研以及考虑深圳地区“工业上楼”建筑设计指南^［9-10］要求，活荷载按表1取值。其他区域荷载根据现行规范取值。

1.2.4　层高设置

考虑到有些产业无法上高楼层或者只能在低楼层使用，而低楼层区需考虑加工设备尺寸及货运要求等，对楼层层高要求较高，需要特别提高底部区域楼层层高来满足工业生产要求。本研究选取表1中产业2为研究对象，研究首层层高提高到14 m和2—3层层高均为8 m两种层高变化对经济性的影响。

1.3　材料等级及控制标准

混凝土强度等级自底层C55向上逐渐降低至上层C35，结构构件的受力钢筋与箍筋主要采用HRB400级，钢材选用Q355B。为了避免结构刚度突变形成薄弱层，竖向构件截面尺寸与混凝土强度等级在不同楼层处变化。

数值模型验算时，结构位移角和周期比均需满足相关规范要求。混凝土柱轴压比控制在规范限制范围内，梁配筋率控制为经济配筋率内^［11］。钢构件满足相关规范的宽厚比限值^［12-13］要求，钢次梁按组合梁计算^［14］。

2 结构主要计算结果

2.1　结构单位面积质量

图3为不同产业（标准）上楼单位面积质量在不同柱跨和混凝土结构、钢结构两种体系下的影响。由图中可知，混凝土结构体系下大柱网单位质量比小柱网大9%左右；而钢结构体系下，柱跨对结构质量几乎无影响。在小柱网下，同种产业荷载作用下钢结构体系比混凝土结构体系单位面积质量轻24%~27%；在大柱网下，单位面积质量轻33%~37%，整体荷载偏小的产业，单位质量差异偏小。而整体结构自重的减轻意味着地基基础（桩基础和承台）材料用量和施工措施费等会有相应的降低，对于“工业上楼”项目这种较大荷载下的地基基础工程施工难度也会下降，有利于缩短工程建设整体周期。

2.2　结构基本自振周期

从表2可知，两种结构体系作用下，以扭转为主的第一自振周期T_t与以平动为主的第一自振周期T₁比值均满足设计规范限制要求，钢结构体系的整体结构扭转周期大于混凝土结构体系。在同种产业作用下，钢结构体系较混凝土结构体系自振周期偏大，结构刚度较小，相应的地震力作用也偏小。因此，在工业上楼大荷载情况下，钢结构体系抗震能力更具有优势。图4、图5为产业2在小柱网平面布置下两种结构体系的结构基本自振周期。混凝土结构体系下的第一自振周期T₁为Y向，钢结构体系下的第一自振周期T₁为X向。

2.3　结构基底剪力

在结构计算满足有效质量系数90%的情况下，提取两种结构体系下的基底剪力。从图6和图7可知，在小柱网平面布置下，同种产业荷载作用下钢结构体系比混凝土结构体系X向的基底剪力减少超过30%，Y向减少超过20%；在大柱网平面布置下，钢结构体系比混凝土结构体系X向的基底剪力减少超过35%，Y向减少超过25%。基底剪力较小，地震作用也小，而且使结构的嵌固端要求较容易满足。因此，柱跨对混凝土结构体系的基底剪力有一定影响，大柱网比小柱网基底剪力大10%，钢结构体系差异则在5%以内。

2.4　结构层间位移角

由于产业荷载较大且结构总高度不高，结构最大层间位移角主要受地震工况控制。从表3可知，混凝土结构体系通过调整柱的截面尺寸增强结构的侧向刚度，均能满足层间位移角限制1/800的要求；钢结构体系在钢柱截面尺寸确定下，通过调整钢管壁厚，均能满足层间位移角限制1/300的要求^［15］。在工业大荷载作用下，钢结构体系整体刚度偏小，对于位移要求较敏感的高精度仪器加工行业，有必要采取整体或局部变形控制措施。

3 结构材料用量分析

本文对各计算模型分别进行了非抗震工况组合与抗震工况组合的计算分析，计算结果均满足设计规范的各项指标要求。根据各种工况的包络设计，得到混凝土结构与钢结构两种体系的结构材料用量，材料测算考虑桩基和底板的材料用量及上部结构的材料用量，其中上部结构工程材料用量均包括地下一层的测算用量，并以此为基础对工程造价进行分析。

3.1　基础材料用量分析

以产业2的地勘资料为设计基础，针对塔楼范围内的基础材料用量进行测算。两种结构体系桩型选择保持一致，均采用直径800 mm的灌注桩，单桩承载力设计值取5 600 kN，桩长均按32 m考虑。地下室筏板厚度统一取500 mm，混凝土结构体系中的剪力墙均考虑布置在承台上。混凝土用量和钢筋用量测算只包含承台和底板的材料量，具体测算量见表4、表5。

从前文结构单位面积质量比较可知，钢结构体系整体质量比混凝土结构体系轻。从表4和表5可知，小柱网平面布置下，钢结构体系桩数较混凝土结构体系减少8%~13%，混凝土总用量减少5%~8%，钢筋总用量减少7%~11%，产业整体荷载越小，差值越小。大柱网平面布置下，钢结构体系桩数较混凝土结构体系减少16%~22%，混凝土总用量减少10%~17%，钢筋总用量减少19%~44%，其中整体荷载越大，材料减少用量越多。桩数减少可以降低桩基施工的不确定性以及桩基的检测数量。混凝土和钢筋用量的减少也可以减少现场施工的工作量，加快施工进度。

相同结构体系在不同柱网平面布置下，混凝土结构体系下大柱网较小柱网桩数增加5%左右，混凝土总用量平均增加16%，钢筋总用量平均增加15%；钢结构体系下大柱网较小柱网桩数整体比较接近，其中产业1和产业3桩数有7%的减少，混凝土总用量在较大产业荷载作用下增加超过15%，而钢筋总用量整体平均减少6%。

3.2　不同柱跨分析

3.2.1　混凝土结构体系

混凝土结构体系在不同产业荷载和不同柱跨作用下单位面积钢筋用量和混凝土用量分别如表6、表7和图8所示。

从表6和图8可以得知，单位面积钢筋用量与产业上楼荷载存在一定的线性关系，产业荷载越大，单位面积用钢量增速也越大，其中小柱网梁钢筋约占总钢筋用量的52%，大柱网梁钢筋占比达到约59%，因此，在“工业上楼”工程中梁钢筋用量在上部结构材料成本中占主要控制目标；由产业4和产业1对比可知，每楼层多增加1.0 kN/m²荷载，单位钢筋用量增加约3 kg/m²；针对深圳区域标准的对比，二者钢筋用量较接近。

在同种产业荷载作用下，大柱网比小柱网的单位面积总用钢量增加23%~33%，即单位面积钢筋用量增加8.65~16.64 kg/m²，产业3整体荷载偏小，钢筋用量差别较小。在钢筋总用量中，由于楼盖体系及剪力墙布置确定墙和板单位面积钢筋用量差异较小，梁柱的钢筋用量相差较大。随着柱跨增大，在相同荷载作用下柱受荷面积增大，柱截面需相应增大，而梁弯矩随跨度呈指数增大，在控制梁高的情况下，梁配筋则显著增大。

从表7和图8可以看出，单位面积混凝土用量随着产业上楼荷载变化增长较缓，在板厚和剪力墙墙厚确定时，混凝土用量变化由梁柱截面控制，在小柱网中，梁柱混凝土用量占比在52%左右，在大柱网中，梁柱混凝土用量占比在61%左右；由产业4和产业1对比可知，每楼层多增加1.0 kN/m²荷载，单位混凝土用量增加0.005 m³/m²左右；在同种荷载作用下，大柱网比小柱网的单位面积总混凝土用量增加12%~20%，即单位面积钢筋用量增加0.034~0.058 m³/m²。虽柱数减少，但柱跨增大，梁柱截面加大，导致混凝土用量增加。

3.2.2　钢结构体系

钢结构体系在不同产业荷载和不同柱跨作用下单位面积钢材用量、钢筋用量和混凝土用量分别如表8和图9所示。通过对比分析可知，单位面积钢材用量和单位面积钢筋用量与产业上楼荷载存在一定的线性关系，单位面积材料用量增速小于荷载增速，其中在钢材用量中，小柱网梁钢材占比约58%，大柱网中梁钢材占比约65%，则钢梁用量是钢结构体系中上部结构材料用量的主要控制目标；由产业4和产业1对比可知，每楼层多增加1.0 kN/m²荷载，小柱网单位钢材用量增加约4.7 kg/m²，主要体现在钢梁用钢量的变化，钢筋用量增加约2.0 kg/m²，大柱网单位钢材用量增加约0.9 kg/m²，钢筋用量增加约0.8 kg/m²。由此可知随着柱跨的变大，在荷载变化较小的情况下，钢材和钢筋增量变化较小；在同种荷载作用下，大柱网比小柱网的单位面积总钢材用量增加14%~20%，即单位面积钢材用量增加10.49~16.38 kg/m²。钢筋用量和混凝土用量主要取决于楼板，整体变化差异不大。

3.3　不同层高分析

3.3.1　首层层高变化

选取表1中产业2为研究对象，研究首层层高14 m时对结构材料用量的影响。材料用量测算基于满足规范相应结构指标。从表9和表10可以看出，混凝土体系在首层层高变化下，小柱网下钢筋用量增加约4.7 kg/m²，混凝土用量增加0.032 m³/m²；大柱网下钢筋用量增加约6.0 kg/m²，混凝土用量增加0.041 m³/m²。结构材料变化主要在墙柱的钢筋和混凝土用量，由于首层层高变化较大，结构刚度突变，层间位移增加，则需要增大竖向构件截面来满足相应的抗侧刚度需求，导致竖向构件材料用量有相应的增加。而在荷载无变化情况下，梁板材料用量变化较小。

从表11可看出，钢结构方案在首层层高变化下，钢材用量增加约6.0 kg/m²，钢材用量变化主要在柱的钢材，而钢筋用量和混凝土用量增加变化较小。由于首层层高的大幅变化，圆钢管柱截面相对混凝土柱偏小，则需要增大截面和加大钢管壁厚，以满足楼层抗侧刚度要求，且圆钢管柱长细比变大，也需满足构件稳定性计算要求。

3.3.2　低楼层层高变化

选取表1中产业2为研究对象，研究2—3层层高为8 m时对结构材料用量的影响。从表12和表13可看出，混凝土方案在低楼层层高变化下，钢筋用量增加在2.0 kg/m²左右，其中主要为梁柱钢筋用量增加，而混凝土用量增加变化较小，增量在0.007 m³/m²左右。虽2—3层层高增加，但层高增加幅度较小，而且低楼层区域层高变化对混凝土结构体系刚度和层间位移影响有限，相应的材料用量变化幅度小。

从表14可看出，钢结构方案在2—3层层高变化下，钢材用量增加约3.8 kg/m²，主要为钢梁钢柱的用量变化，说明局部楼层层高的变化对该楼层钢梁内力的变化有一定影响，而对于钢筋用量和混凝土用量影响较小。

通过以上数据分析可知，对于层高变化，钢结构体系的结构材料用量增加较混凝土结构体系敏感。主要体现在随着建筑层高的变化，风荷载作用增加，因钢结构体系相比混凝土结构体系较柔，对风荷载更敏感，因此对构件内力的影响较明显。但考虑到混凝土结构体系低楼层区层高均在8 m及以上，在施工中存在高支模问题，会使施工难度变大，整体功效低，安全风险大^［16］。而钢结构方案不存在大规模高支模问题，施工简便，会大幅缩短施工工期及减少相关费用，所以在方案选择时，需综合考虑两种结构体系的成本影响。

3.4　两种结构体系综合造价分析

结构材料造价主要考虑灌注桩用量、现浇混凝土模板用量、现浇混凝土用量、钢筋用量和钢结构用量组成。根据深圳地区市场调研材料价格，单根灌注桩单价约为1 600元/m，混凝土单价为850元/m²，钢筋单价为7 500元/t，Q355B钢材单价为14 000元/t，钢筋桁架楼承板单价为150元/m²，模板单价为120元/m²。考虑到钢结构常规需要深化加工，节点板件及节点构造深化会带来一定的钢材用量增加，鉴于结构体系无复杂节点，根据经验值，深化后的钢材用量在模型测算钢材用量基础上增大10%~14%。

结合表4—表8的数据，得出两种结构体系在不同产业荷载及不同柱跨下的整体结构材料用量综合单价（包含基础造价），如表15和图10所示。从图表中可以看出，小柱网下，钢结构体系单位面积造价比混凝土结构体系高出21%~26%，其中整体荷载偏小的产业，造价差异偏小；大柱网下，钢结构方案单位面积造价比混凝土方案高出21%~27%，整体荷载偏小的产业，综合造价差异偏大。柱网尺寸影响下，混凝土结构体系大柱网综合造价比小柱网高出7%~13%，钢结构体系高出10%~14%。

综合以上对比研究，虽然仅考虑整体结构材料，钢结构体系比混凝土结构体系单位面积造价要高，但钢结构施工较混凝土结构施工方便快捷。

经对两种结构体系工期对比分析，采用混凝土结构体系，厂房建设工期为192 d，而采用钢结构体系，建设工期仅为110 d，工期节约43%。

项目成本的构成一般分为人力成本、材料及机械成本和其他措施费，所占比例大致为0.3、0.65、0.05，其中与工期相关的主要是人力成本。考虑到工期与人力成本的比值不是线性关系，初步考虑工期影响的成本占总成本25%。钢结构体系优化工期成本比例为A=0.43×0.4×0.25=4.3%。时间收益则通过利息与租金两方面体现^［17-18］。假设年化利率为总投资额的5.5%，可出租面积为总建筑面积的85%，出租率为90%，厂房出租市场价为每天30.5元/m²。钢结构体系的利息成本比例B=0.055×0.4×192/365=1.16%，钢结构体系的租金成本为C=0.85×0.9×0.4×30.5=9.33元/m²，占综合单价的比例超过0.53%。考虑工期和时间收益的成本差异，钢结构体系比混凝土结构体系节省造价至少6%。整体对比发现，钢结构体系与混凝土结构体系整体成本差异在15%~20%。

在排除成本因素的情况下，钢结构体系亦存在许多优势。例如钢结构整体延性好，抗震能力更好^［19］，施工速度快，建造过程绿色环保，属于绿色建筑，是实现绿色建筑的最佳结构形式。此外，钢结构构件整体面积小，建筑使用面积增大，且钢结构较混凝土结构更易实现高装配率，在国家大力推进装配式建筑的形势下，综合优势更加明显。

4 结 论

高层工业厂房的设计因行业、功能、地域等因素而异，不同结构体系的经济性也与项目的建设工期、装配率、运营成本等相关，钢结构体系的主要优势体现为施工周期短、装配率高、材料环保、可改造性强等，适合大跨度与高楼层厂房。混凝土结构则适用于成本较低、厂房跨度不大且楼层不高的工业厂房。本文以某智能网联汽车制造类“工业上楼”工程为例，基于不同产业荷载、不同柱跨、不同层高等设计参数，对混凝土结构与钢结构两种结构体系的结构材料用量与造价进行了对比研究，主要得出以下结论：

（1） 在不同产业荷载、不同柱跨作用下，混凝土结构和钢结构两种结构体系均能满足规范设计要求。相比之下，钢结构体系单位面积质量较轻，地震作用较小，整体抗震能力较混凝土结构体系更具有优势。

（2） 在不同产业荷载作用下，产业荷载越大，混凝土结构体系的单位面积钢筋用量增速也越大，梁钢筋用量在结构材料成本方面占主要控制因素。钢结构体系的单位面积材料用量增速小于荷载增速，随着柱跨变大，钢梁用量占比约56%~65%，是工程钢材用量的主要控制因素。

（3） 在同种产业荷载作用下，混凝土结构体系大柱跨比小柱跨的单位面积钢筋用量增加23%~33%，单位面积混凝土用量增加12%~20%。对于钢结构体系，大柱跨比小柱跨的单位面积钢材用量增加14%~20%，而钢筋用量和混凝土用量相差不大。

（4） 在考虑不同层高情况下，首层层高14 m时，混凝土结构体系钢筋用量较常规8 m层高、小柱网下钢筋用量增加约4.7 kg/m²，混凝土用量增加0.032 m³/m²；大柱跨下钢筋用量增加约6.0 kg/m²，混凝土用量增加0.041 m³/m²。钢结构体系钢材用量增加约6.0 kg/m²。低楼层层高变化时，混凝土结构体系钢筋用量增加约2.0kg/m²，混凝土用量变化较小，钢结构钢材用量增加约3.8kg/m²。

（5） 结构材料综合造价方面，随着柱跨增大，钢结构体系与混凝土结构体系的差价呈递减趋势，为15%~20%。综合考虑工期和施工机械、措施等费用，钢结构体系与混凝土结构体系成本差异为10%~15%。

综合以上结论，希望能为类似工程设计结构选型提供参考。在实际工程项目设计阶段，还需根据具体项目需求进行综合考虑，以选用最经济、最合适的结构形式。

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