韋偉鴻+郭霞桃

摘 要：在以鋼結(jié)構(gòu)為主要形式的民用建筑中，用鋼量的大小是影響建造成本的重要因素之一。傳統(tǒng)思維模式下的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都存在荷載系數(shù)取值過(guò)于保守、結(jié)構(gòu)選型不合理、設(shè)計(jì)思維定勢(shì)等現(xiàn)象，導(dǎo)致單位建筑用鋼量大，鋼結(jié)構(gòu)施工成本大幅提高。如何在保證原有建筑構(gòu)造、使用功能不變的情況下，減少鋼材用量，實(shí)現(xiàn)降低成本的目的，是推行項(xiàng)目精益化管理的重要手段。文章以在某建工程為例，闡述鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為鋼結(jié)構(gòu)同行提供降本增效的經(jīng)驗(yàn)借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；效益

中圖分類(lèi)號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0112-04

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

擬建項(xiàng)目位于湖南長(zhǎng)沙市瀏陽(yáng)河畔，周邊城區(qū)地質(zhì)條件頗為復(fù)雜。工程占地約100畝，建設(shè)規(guī)模為22萬(wàn)m2，是一個(gè)集大型演藝活動(dòng)、影視節(jié)目生產(chǎn)、藝術(shù)展覽、創(chuàng)意工坊、觀眾參觀通道等功能于一體的現(xiàn)代化“環(huán)球夢(mèng)工廠”式的節(jié)目生產(chǎn)基地。工程包括6幢演播廳、1幢美術(shù)館、1幢數(shù)據(jù)技術(shù)大樓和1幢下沉式廣場(chǎng)+漂浮辦公樓，各單體建筑地面以上為4～9層（見(jiàn)圖1）。

2 主要鋼結(jié)構(gòu)形式

單個(gè)場(chǎng)館主要結(jié)構(gòu)形式為鋼框架+鋼桁架屋頂；鋼柱多為箱型、圓管等截面形式；鋼梁多采用焊接H型鋼、箱型鋼等截面；演播廳大跨度桁架多采用焊接箱型鋼截面形式；樓板形式為壓型鋼板組合樓板與鋼筋桁架樓承板；鋼結(jié)構(gòu)用總量約為3萬(wàn)噸，BIM結(jié)構(gòu)模型圖見(jiàn)圖2。為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精益化管理的目標(biāo)，在項(xiàng)目施工圖階段全方位進(jìn)行投資成本控制和管理，通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及參考類(lèi)似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，全面實(shí)施精細(xì)化設(shè)計(jì)，并獲得原施工圖設(shè)計(jì)方的認(rèn)同和采納。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則

因本項(xiàng)目已經(jīng)完成了鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙出圖，從尊重原設(shè)計(jì)理念，在不改變?cè)薪ㄖ?gòu)造、風(fēng)格、確保使用功能及結(jié)構(gòu)安全的前提下，我們重點(diǎn)針對(duì)常規(guī)節(jié)點(diǎn)，遵循 “安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便”的原則提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，通過(guò)公開(kāi)招標(biāo)引進(jìn)專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行計(jì)算和制圖，最終藍(lán)圖修改由原設(shè)計(jì)單位完成。

4 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)咨詢(xún)建議要點(diǎn)

4.1 梁柱節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)

綜合考慮制作、運(yùn)輸、安裝等條件和能力，平衡各種利弊，優(yōu)化構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，在滿(mǎn)足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)等要求的前提下對(duì)典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化處理，優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到方便構(gòu)件加工，提高加工速度，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接量，降低成本，使構(gòu)件受力更加合理等目的，典型梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)（BIM模型）如表1所示。

4.2 柱截面精細(xì)化設(shè)計(jì)

由A館演播廳地上柱網(wǎng)定位圖得知，局部柱截面尺寸偏大，建議精細(xì)化設(shè)計(jì)鋼柱截面尺寸，通過(guò)減少板厚為主，控制柱網(wǎng)尺寸不變，如其中KZ1、KZ2可采用內(nèi)灌混凝土的做法，部分優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

4.3 結(jié)構(gòu)次梁截面精細(xì)化設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)局部次梁截面偏大，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2014）第14.1.1條，采用考慮樓板作用按照組合梁設(shè)計(jì)后，保持原設(shè)計(jì)荷載不變，經(jīng)計(jì)算局部次梁優(yōu)化可優(yōu)化截面尺寸，減少鋼材用量，部分優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3 。部分框架梁截面偏大，經(jīng)計(jì)算優(yōu)化成果見(jiàn)表4、圖2所示。

4.4 構(gòu)造鋼梁精細(xì)化設(shè)計(jì)

如A館一層結(jié)構(gòu)布置圖（12-201）中，K軸處有地下室外墻，此處KL1主要為了解決擱置樓板，此處可采用角鋼替代鋼梁以擱置樓板，鋼梁KL1建議取消。

4.5 樓板結(jié)構(gòu)形式精細(xì)化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中樓板結(jié)構(gòu)形式采用壓型鋼板，原設(shè)計(jì)壓型鋼板底模厚度為0.9～1.1mm，而鋼筋桁架樓承板底模厚度一般為0.5mm。壓型鋼板與鋼筋桁架樓承板每平方的單價(jià)相同，但鋼筋桁架樓承板上本身帶有一個(gè)方向的配筋，經(jīng)過(guò)綜合比較改用鋼筋桁架樓承板節(jié)省一個(gè)方向的樓板鋼筋用量，造價(jià)相對(duì)較低，建議壓型鋼板改為鋼筋桁架樓承板，依據(jù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，見(jiàn)圖4。

4.6 樓梯精細(xì)化設(shè)計(jì)

原結(jié)構(gòu)圖采用梁式鋼樓梯，見(jiàn)圖5。鋼結(jié)構(gòu)樓梯存在飾面裝修、現(xiàn)場(chǎng)吊裝不便等因素，故建議改為混凝土樓梯，見(jiàn)圖6。

4.7 屋頂桁架精細(xì)化設(shè)計(jì)

經(jīng)查看桁架計(jì)算書(shū)，桿件應(yīng)力富裕度較大，建議調(diào)整桁架桿件截面，控制應(yīng)力比0.9左右即可。此外，考慮到現(xiàn)有的桁架布置形式雖為單向布置，但在垂直方向上同時(shí)拉有較多梁，建議由單向桁架布置改為正交雙向桁架布置，可減小桁架高度及截面尺寸，受力性能更優(yōu)。見(jiàn)圖7、圖8。

4.8 其它精細(xì)化設(shè)計(jì)建議分析舉例

4.8.1 荷載系數(shù)折減。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5000

9-2012）第5.1.2條梁的從屬面積超過(guò)25m2時(shí)，樓面梁可進(jìn)行活荷載折減，折減系數(shù)可取為0.9，故可在模型中勾選按照梁從屬面積進(jìn)行折減或人為對(duì)梁活荷載進(jìn)行折減。

4.8.2 消防車(chē)活荷載折減。消防車(chē)荷載可根據(jù)板跨、覆土厚度折減，可以折減兩次，主梁、次梁、板可取不同的折減系數(shù)。故地下室頂板僅消防車(chē)道范圍考慮消防車(chē)荷載，不必?cái)U(kuò)大作用范圍。按照荷載規(guī)范第5.1.2條的規(guī)定，設(shè)計(jì)梁、柱、墻時(shí)，消防車(chē)荷載的活荷載折減系數(shù)取0.8。

4.8.3 減少隅撐數(shù)量。原設(shè)計(jì)框架梁下翼緣隅撐布置了4根L90×8角鋼，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)調(diào)整為兩根對(duì)角線(xiàn)布置的形式，同樣滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性要求。

4.8.4 取消部分構(gòu)造次梁。原設(shè)計(jì)地下室頂板厚度大部分為200mm；結(jié)構(gòu)布置形式為單向次梁，由于首層荷載較大，板厚較厚，因此建議取消次梁。

從不改變?cè)O(shè)計(jì)控制尺寸、立面風(fēng)格，受力特征等角度考量，類(lèi)似優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)范圍較為可觀，此處不一一舉例。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本次優(yōu)化設(shè)計(jì)咨詢(xún)建議，初步核算（見(jiàn)右表），可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約2100噸鋼材的經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)有利于改善鋼結(jié)構(gòu)加工制作及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，加快施工進(jìn)度，現(xiàn)場(chǎng)施工項(xiàng)目精益化管理的價(jià)值成果顯著。通過(guò)BIM輔助建模及力學(xué)軟件復(fù)核計(jì)算，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)優(yōu)化和精細(xì)化設(shè)計(jì)的思路，可為同行提供借鑒參考。

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