淺談輕鋼結(jié)構(gòu)廠房優(yōu)化設(shè)計(jì)

淺談輕鋼結(jié)構(gòu)廠房優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容提要：輕鋼廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)是控制工程成本的關(guān)鍵一步，本文結(jié)合工程實(shí)際，從各個(gè)方面分析了所采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施對(duì)輕鋼廠房工程用鋼量的影響，同時(shí)提出經(jīng)濟(jì)性輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)絕不是以降低結(jié)構(gòu)的安全度來取得經(jīng)濟(jì)效益。主題詞：輕鋼廠房優(yōu)化設(shè)計(jì)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，如何做得更合理、更經(jīng)濟(jì)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，也是建設(shè)單位最關(guān)注的一個(gè)問題，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到工程的造價(jià)和施工單位的中標(biāo)與否。據(jù)權(quán)威資料分析，在前期規(guī)劃階段，影響工程造價(jià)的可能性為75%?95%；在初步設(shè)計(jì)階段，影響工程造價(jià)的可能性為35%?75%；在施工圖設(shè)計(jì)階段，影響工程造價(jià)的可能性為5%?35%。因此，設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，設(shè)計(jì)是否優(yōu)化，對(duì)工程造價(jià)將會(huì)產(chǎn)生直接的影響。如果能在前期決策階段和設(shè)計(jì)階段就事先主動(dòng)參與，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是主體結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化，則可能會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，從而使工程項(xiàng)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(jì)施工各方的協(xié)助、配合。下面以某廠房優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)措施對(duì)工程造價(jià)帶來的影響，可帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，供類似1/6工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。一、工程概況青島XX精密機(jī)電有限公司一期新建工程沖壓/電工廠，建筑面積14164皿，長度87m,寬度117m,中間柱距12m,兩側(cè)邊跨柱距7.5m，最大柱網(wǎng)尺寸12mX12m，剛架檐口標(biāo)高12.450m，廠房跨度分別為10.5m+12mX8+10.5m，共10跨，其中邊部一側(cè)三跨為局部夾層，其余七跨每跨間均有3t單梁地操吊車多臺(tái)，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。本工程系臺(tái)灣獨(dú)資企業(yè)，設(shè)計(jì)總承包和現(xiàn)場施工管理亦為臺(tái)資企業(yè)。二、廠房優(yōu)化設(shè)計(jì)采取的措施結(jié)合本工程的建筑特點(diǎn)，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)、《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)等相關(guān)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(jià)，減少用鋼量，從以下各方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：1、結(jié)構(gòu)體系的選擇在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，結(jié)構(gòu)體系的選擇對(duì)工程起著至關(guān)重要的作用，特別是像這樣一個(gè)既有吊車又有局部夾層比基本的輕鋼廠房稍微復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)。本工程原設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)廠房采用的是雙向剛接，軟件計(jì)算分析時(shí)采用空間三維建模。本人提出單向剛架2/6（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），該結(jié)構(gòu)體系得到了業(yè)主指定的審圖單位臺(tái)灣XX工程顧問有限公司專家老師的支持，并肯定這種體系構(gòu)造是最經(jīng)濟(jì)的。在主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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，均按照等截面梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于其它跨度較大的廠房，一般超過15m，可根據(jù)荷載作用下剛架的受力特點(diǎn)，多方考慮構(gòu)件的制作、運(yùn)輸?shù)惹闆r，對(duì)屋面梁進(jìn)行合理分段和截面設(shè)計(jì)，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(jì)強(qiáng)度的比值盡可能接近，即采用滿應(yīng)力設(shè)計(jì)，從而使得剛架的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。在單層有吊車部分，在吊車梁標(biāo)高處因?yàn)榈踯嚵嚎梢约孀鱿禇U，所以此高度可以不設(shè)系桿。在設(shè)計(jì)時(shí)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，此部分整體設(shè)計(jì)思路是按門剛的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于整體廠房（包括有夾層部分），本人對(duì)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。該工程施工圖和設(shè)計(jì)計(jì)算文件整理完畢，一式兩份分別報(bào)送建設(shè)單位指定的臺(tái)灣XX工程顧問有限公司和當(dāng)?shù)貙張D機(jī)構(gòu)，順利地通過了他3/6們的審核。經(jīng)公司內(nèi)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，原設(shè)計(jì)圖紙主框架用鋼量為1273.7噸，優(yōu)化后圖紙主框架用鋼量僅為612.9噸，主框架一項(xiàng)，用鋼量就節(jié)省了660.8噸，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。2、對(duì)廠房內(nèi)夾層樓面次梁的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)計(jì)算。本人在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)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，即只建一根剛架的模型進(jìn)行計(jì)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(jì)參數(shù)控制均按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)要求。經(jīng)本人計(jì)算比較，組合梁的截面高度和鋼板厚度都比原設(shè)計(jì)小了很多。3、檁條墻梁的設(shè)計(jì)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，原設(shè)計(jì)和本人在該工程的設(shè)計(jì)時(shí)都按照連續(xù)檁條考慮，本人在不影響采購制作和安裝的情況下，把檁條高度稍微做高、鋼板厚度稍微變薄了些，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(jì)比較，原設(shè)計(jì)用鋼量為185.6噸，現(xiàn)設(shè)計(jì)用鋼量為169.3噸，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4/6梁，用鋼量未有變化。4、系桿支撐系統(tǒng)的設(shè)置多數(shù)梁柱在計(jì)算中，都是平面外穩(wěn)定起控制作用，我們在梁上或邊跨柱上設(shè)隅撐，讓它和檁條墻梁組成受力系統(tǒng)，可以減少梁柱平面外計(jì)算長度，對(duì)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(jì)算長度，本工程取消了原施工圖中位于柱頂和吊車梁處大量縱向鋼梁，柱頂采用圓管系桿，吊車梁標(biāo)高處則采用吊車梁兼做系桿，來減少柱平面外的計(jì)算長度。由于原設(shè)計(jì)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，在縱向需要根據(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)業(yè)主的工藝要求，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)處為不影響業(yè)主的正常使用，考慮設(shè)置人字形型鋼支撐。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(duì)應(yīng)，以保證縱向水平力的傳遞，使得整個(gè)廠房受力明確，傳力直接簡捷。在進(jìn)行支撐系統(tǒng)的施工圖繪制時(shí)，根據(jù)計(jì)算后結(jié)果，適當(dāng)加大了支撐的截面，使支撐系統(tǒng)有15%?20%的富余量。優(yōu)化后的支撐系統(tǒng)用鋼量雖然比原圖多出55噸，但保證了廠房的安全性。5、圍護(hù)及其它構(gòu)造的優(yōu)化考慮5/6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(jià)格會(huì)有較大的差別；保溫層有超細(xì)玻璃絲棉、巖棉等分別；天溝材料分為不銹鋼、彩板、鋼板。以上任何一方圍護(hù)材料選擇的差異，都會(huì)影響廠房的總造價(jià)。本工程在不改變原建筑風(fēng)格的前提下，建議業(yè)主采用市場常用的圍護(hù)材料，也節(jié)省了一部分投資，適當(dāng)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1494噸，優(yōu)化后施工圖總用鋼量為888噸，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。該工程于2007年底建成投入