淺談輕鋼結(jié)構(gòu)廠房優(yōu)化設(shè)計

淺談輕鋼結(jié)構(gòu)廠房優(yōu)化設(shè)計輕鋼廠房的優(yōu)化設(shè)計是控制工程成本的關(guān)鍵步驟，結(jié)合工程實(shí)際，從多個方面分析了所采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施對輕鋼廠房工程用鋼量的影響，同時提出經(jīng)濟(jì)性輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點(diǎn)，并提出優(yōu)化設(shè)計絕不能以降低結(jié)構(gòu)的安全度來換取經(jīng)濟(jì)效益。

輕鋼廠房在不降低結(jié)構(gòu)安全性的前提下，如何設(shè)計得更合理、更經(jīng)濟(jì)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計師，也是建設(shè)單位最關(guān)注的問題，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到工程的造價和施工單位的中標(biāo)與否。據(jù)筆者統(tǒng)計分析，在前期規(guī)劃階段，影響工程造價的可能性為75%～95%；在初步設(shè)計階段，影響工程造價的可能性為35%～75%；在施工圖設(shè)計階段，影響工程造價的可能性為5%～35%。因此，設(shè)計質(zhì)量的好壞、設(shè)計方案是否最優(yōu)化，對工程造價將會產(chǎn)生直接影響。如果能在前期決策階段和設(shè)計階段就事先主動參與，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，特別是設(shè)計階段的主體結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化，則可能會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，從而使工程項目既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)實(shí)用，當(dāng)然這需要工程各方特別是建設(shè)單位的大力支持和設(shè)計施工各方的協(xié)助、配合。本文以某廠房優(yōu)化設(shè)計為例，在結(jié)構(gòu)體系、樓層梁、檁條墻梁、支撐系統(tǒng)、圍護(hù)系統(tǒng)等方面進(jìn)行簡要分析，說明采取優(yōu)化設(shè)計措施對工程造價帶來的影響，供類似工程設(shè)計時參考。

1工程概況

某精密機(jī)電有限公司一期新建工程沖壓/電工廠項目，建筑面積14164m2，長87m，寬117m，中間柱距12m，兩側(cè)邊跨柱距7.5m，最大柱網(wǎng)尺寸12m×12m，剛架檐口標(biāo)高12.450m；廠房共10跨，邊跨為10.5m，中跨為12m，其中邊部一側(cè)3跨為局部夾層，其余7跨每跨間均有3t單梁地操吊車多臺；屋面為弧形屋面，主體圓弧半徑R=117m，不上人輕鋼屋面采用雙層彩鋼板加保溫棉形式，屋面采用不銹鋼天溝有組織排水。平面布置如圖1所示。

2廠房優(yōu)化設(shè)計采取的措施

結(jié)合本工程的建筑特點(diǎn)，根據(jù)GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、CECS102∶2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)的國家規(guī)范、規(guī)程，在滿足原使用要求的基礎(chǔ)上，為合理降低造價，減少用鋼量，從以下各方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

2.1結(jié)構(gòu)體系的選擇

在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，結(jié)構(gòu)體系的選擇對工程本身起著至關(guān)重要的作用，特別是像這樣一個既有吊車又有局部夾層、稍微復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)。本工程原設(shè)計整個廠房采用的是雙向剛接，即橫向和縱向都設(shè)置了鋼梁，鋼梁與鋼柱之間的連接采用剛性節(jié)點(diǎn)，軟件計算分析時采用空間三維建模。在優(yōu)化設(shè)計時提出主體結(jié)構(gòu)采用“單向剛架（橫向）+支撐（縱向）”體系，廠房總體考慮框排架結(jié)構(gòu)，即一側(cè)為剛架方向（梁柱連接為剛接），另一側(cè)采用設(shè)柱間支撐的形式（梁柱連接為鉸接）。在主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由于本工程跨度只有12m，為便于構(gòu)件的制作和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，夾層梁和屋面梁，尤其是屋面梁均按照等截面梁進(jìn)行設(shè)計。對于其他跨度較大的輕鋼廠房（超過15m），建議根據(jù)荷載作用下剛架的受力特點(diǎn)，結(jié)合考慮構(gòu)件的制作、運(yùn)輸?shù)惹闆r，對屋面梁進(jìn)行合理分段和截面設(shè)計，框架中間鋼梁采用等截面，跨度的兩端鋼梁采用加腋變截面梁，利用截面變化，使各截面組合內(nèi)力與材料設(shè)計強(qiáng)度的比值盡可能接近，即采用滿應(yīng)力設(shè)計，從而使得剛架的設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理。

對于單層有吊車部分，在吊車梁標(biāo)高處采用吊車梁兼做系桿（沿著吊車梁方向，吊車梁受到山墻風(fēng)壓和吊車制動力，經(jīng)驗(yàn)算，兩者合力比較小，吊車梁承載力遠(yuǎn)大于兩者最不利組合，所以此高度可以不設(shè)系桿）。在設(shè)計時為保證房屋的整體剛度，采取了一些必要的措施，如剛架柱柱頂?shù)膭傂韵禇U不再采用雙檁條兼做，而是采用圓鋼管做系桿。由于吊車質(zhì)量較小，均未超過10t，因此單層帶吊車部分主框架梁柱設(shè)計時，參數(shù)均按門剛的要求進(jìn)行控制，如平面內(nèi)應(yīng)力比、平面外應(yīng)力比、長細(xì)比，而屋面梁撓度和柱頂位移，既符合CECS102∶2002的要求，也符合GB50017-2003的要求。對于整個廠房，包括有夾層部分，對橫向框架、縱向排架分別進(jìn)行平面建模，驗(yàn)算變形，廠房區(qū)域柱頂縱向最大位移為5.2mm，夾層區(qū)域柱頂縱向最大位移為6.1mm，各軸縱向變形無明顯差距，符合現(xiàn)有國家規(guī)范的要求。

該工程施工圖整理完畢，經(jīng)公司內(nèi)相關(guān)部門統(tǒng)計分析比較，原設(shè)計圖紙主框架用鋼量為1273.7t，優(yōu)化后圖紙主框架用鋼量僅為612.9t，主框架一項，用鋼量節(jié)省了660.8t，可見產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2對廠房內(nèi)夾層樓面次梁的設(shè)計方法

樓面鋼結(jié)構(gòu)次梁一般按照簡支梁考慮，而簡支梁又分為組合梁和非組合梁。原施工圖對廠房內(nèi)夾層處按照空間建模，且樓面梁按照非組合梁進(jìn)行設(shè)計計算。在優(yōu)化設(shè)計時框架模型由原來的空間結(jié)構(gòu)模型改為平面結(jié)構(gòu)模型，即只建立1榀剛架的模型進(jìn)行計算，框架與框架之間次梁采用鉸接連接，次梁亦按照鉸接組合梁考慮，設(shè)計參數(shù)（整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、撓度、栓釘數(shù)量間距等）控制均按照普鋼要求。經(jīng)計算比較，組合梁的截面高度和鋼板厚度都比原設(shè)計小了很多。

2.3檁條墻梁的設(shè)計考慮

從節(jié)省用鋼量的角度來看，應(yīng)盡量減少使用C型簡支檁條，而多采用Z型連續(xù)檁條，因?yàn)楦鶕?jù)力學(xué)模型，同截面連續(xù)梁的承載力遠(yuǎn)大于簡支梁，在該工程的設(shè)計時都按照連續(xù)檁條考慮，在不影響采購、制作和安裝的情況下，把檁條高度稍微增高、鋼板厚度稍微減薄，這種做法在一般情況下也比較經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過后期統(tǒng)計比較，原設(shè)計用鋼量為185.6t，現(xiàn)設(shè)計用鋼量為169.3t，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。至于墻梁，若工程中窗洞口或設(shè)備洞口較多，則一般不采用Z型連續(xù)形式，為施工方便，建議統(tǒng)一采用簡支C型，本工程均采用了簡支C型墻梁，用鋼量未有變化。

2.4系桿支撐系統(tǒng)的設(shè)置

多數(shù)梁柱在計算中，都是平面外穩(wěn)定起控制作用，可在梁上或邊跨柱上設(shè)隅撐，讓它與檁條、墻梁組成受力體系，可以減少梁柱平面外計算長度。對于中柱，由于沒有墻面，無法做隅撐，則可通過設(shè)置通長系桿來減少柱平面外計算長度，本工程取消了原施工圖中位于柱頂和吊車梁處的大量縱向鋼梁，柱頂采用圓管作為系桿，吊車梁標(biāo)高處則采用吊車梁兼作系桿，以減少柱平面外的計算長度。由于原設(shè)計采用空間結(jié)構(gòu)三維建模，縱向方向的位移控制全部由縱向鋼梁承擔(dān)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體系在橫向?yàn)槠矫娼Y(jié)構(gòu)體系，在縱向根據(jù)結(jié)構(gòu)需要在不同位置設(shè)置柱間支撐，來承擔(dān)廠房的縱向水平力。根據(jù)工藝要求，在單層廠房以吊車梁牛腿為界，上柱采用單角鋼支撐，下柱采用雙角鋼支撐，局部采用桁架式支撐；二層結(jié)構(gòu)處為不影響正常使用，考慮設(shè)置人字形或八字形型鋼支撐。無論是單層還是夾層處，柱間支撐的設(shè)置位置均與水平支撐位置相對應(yīng)，以保證縱向水平力的傳遞，使得整個廠房受力明確，傳力直接、簡捷。按照“弱構(gòu)件、強(qiáng)支撐”的理念進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在施工圖繪制中，根據(jù)計算結(jié)果，適當(dāng)加大了支撐的截面。優(yōu)化后的支撐系統(tǒng)用鋼量雖然比原設(shè)計多出55t，但保證了廠房的安全性。

2.5圍護(hù)及其他構(gòu)造的優(yōu)化

圍護(hù)系統(tǒng)是指彩鋼板、保溫層、天溝等。彩鋼板由于板型、基板厚度、鍍（鋁）鋅層厚度、廠家的不同，價格會有較大的差別；保溫層有超細(xì)玻璃絲棉、巖棉等之分；天溝材料分為不銹鋼、彩板、鋼板。以上圍護(hù)材料選擇的差異，都會影響廠房的總造價。本工程在不改變原建筑風(fēng)格的前提下，采用市場常用的圍護(hù)材料，也節(jié)省了一部分投資，避免了一些不必要的浪費(fèi)。

本示例工程原施工圖總用鋼量（包括主構(gòu)件、檁條墻梁、支撐系統(tǒng)）為1494t，優(yōu)化后施工圖總用鋼量為888t，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。該工程于2007年底建成投入使用，經(jīng)多次回訪，得知本廠房現(xiàn)已滿負(fù)荷使用，未發(fā)現(xiàn)任何異常情況。

3結(jié)語

通過以上論述，可看出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計大有可為，優(yōu)化設(shè)計不但在經(jīng)濟(jì)效益上較為明顯，而且使結(jié)構(gòu)的受力更加合理，但優(yōu)化設(shè)計絕不能以降低結(jié)構(gòu)的安全度來換取經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[2]GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]CECS