高層鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計管理

趙 鐘，陶曙文

(1．五冶集團工程技術(shù)分公司，四川成都610066;2．西部礦業(yè)股份有限公司，青海西寧810001)

隨著城市集約化用地要求的不斷提高，建筑向高發(fā)展的趨勢越來明顯，西方發(fā)達國家在把建筑向高發(fā)展的過程中，運用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)建筑了很多經(jīng)典的作品，這些建筑不僅充分滿足了城市建設(shè)集約化使用的空間要求，同時也給城市增添了不少亮色。我國自改革開放以來，也大力借鑒了這些西方高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的成功技術(shù)，一大批造型新穎、美觀實用的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在東部發(fā)達地區(qū)鱗次櫛比，隨著產(chǎn)業(yè)西行，高層和異型鋼結(jié)構(gòu)建筑也開始在西部地區(qū)落地生根。

本文以西南地區(qū)某鋼結(jié)構(gòu)建筑工程為例，通過運用良好項目管理模式，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，進而使該工程項目取得了良好效果。

1 工程概況及特點

此建筑是集觀光旅游、休閑娛樂、餐飲購物、文化藝術(shù)、商務(wù)辦公為一體的綜合體的鋼結(jié)構(gòu)建筑，面積為22×104m2，共有A、B、C三棟。本文僅以A棟建筑為研究對象。該建筑由4層裙房和13層主樓組成，裙房位于主樓兩側(cè)，裙房和主樓之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，兩側(cè)的裙房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，中間主樓的地上部分擬采用鋼框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 主樓的結(jié)構(gòu)框架示意

此建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有以下幾個特點和設(shè)計難點。

(1)整棟建筑主樓體形復(fù)雜，平面及立面均不規(guī)則。主樓右側(cè)底層有大片2層樓高的穿層柱，右側(cè)5層以上根據(jù)建筑造型要求要設(shè)計成由兩條單榀框架組成的細長階梯狀弧形條帶;

(2)主樓中間的入口通道部位有兩處18m跨度的大空間，需進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換;

(3)主樓左側(cè)在1～4層有最大13.3m跨度的逐層外伸的懸挑，5層以上有最大為25.7m的懸挑;

(4)主樓5層以上的辦公區(qū)域?qū)痈邽?.5m，業(yè)主要求，在滿足建筑物使用功能前提下，其結(jié)構(gòu)設(shè)計須滿足長懸挑部分最矮處的凈高不小于2.4m。

此建筑顯著特點是高層、大跨度、懸挑，無論是對設(shè)計單位還是施工單位都具有很大挑戰(zhàn)。

2 設(shè)計方案的優(yōu)化管理

2.1 設(shè)計方案分析

該建筑的結(jié)構(gòu)，承建方原委托一家建筑設(shè)計院進行了設(shè)計，但經(jīng)過業(yè)主的評價，該設(shè)計方案在建筑物的使用功能、樓層凈高、建筑用鋼量等方面不能滿足業(yè)主要求，該設(shè)計方案特點有:

(1)主樓上部結(jié)構(gòu)體系為鋼架+斜撐+普通鋼梁。

(2)樓屋蓋體系采用的是普通鋼梁+混凝土板。

(3)在X方向布置了11道柱間支撐，Y方向布置了6道柱間支撐，5～11層的大懸挑位置層層設(shè)置了斜撐，斜撐較多，影響建筑物的使用功能。

(4)5樓以上辦公區(qū)域?qū)痈邽?.5m，扣除梁高、設(shè)備高度、建筑面層及抹灰后，凈高約為2.3m，不能滿足業(yè)主對建筑物凈高不小于2.4m的要求。

2.2 設(shè)計方案的優(yōu)化

針對原結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題，通過組合技術(shù)團隊實施良好的工程項目管理，在建筑的結(jié)構(gòu)體系布置、使用功能、外觀審美等方面進行了優(yōu)化設(shè)計，使得各方面都能滿足業(yè)主指標要求。

2.2.1 建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計

在主樓中間通道部位，因2層以下的建筑要滿足人流通行需求不能設(shè)柱，致使此處形成了一個高9m、跨度18m的大空間。為了支撐這個大跨度空間部位2層至7層屋面的豎向荷載，在設(shè)計優(yōu)化中利用了4層室外平臺的開敞空間，在4層和5層之間設(shè)置了人字型的轉(zhuǎn)換斜撐。該轉(zhuǎn)換斜撐采用的是鋼管混凝土構(gòu)件，既可懸吊2至4層，又可支承5至7層的結(jié)構(gòu)與荷載，此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的模型如圖2所示。

另外，在主樓中間入口部位，同樣因人流通行不能設(shè)柱，形成了一個高26.5m、跨度18m的大空間。由于其上層樓高為3.5m較低，為了保證有足夠的建筑凈高，優(yōu)化設(shè)計中在5層樓面下采用了1.5m高的轉(zhuǎn)換桁架來承擔(dān)5～8層的結(jié)構(gòu)與荷載。

圖2 斜撐轉(zhuǎn)換模型

圖3 4層以下懸挑結(jié)構(gòu)支承模型

圖4 5層以上懸挑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架模型

2.2.2 懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

此建筑主樓左側(cè)，在4層以下均有逐層外伸的懸挑，而且跨度比較大，最大懸挑跨度為13.3m，為了解決這種大懸挑結(jié)構(gòu)帶來的豎向承載力突變較大影響建筑的安全性能的問題，通過對結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化和對比分析，最終選擇在距懸挑根部2.8～5.2m的距離上布置4根梁上柱以減小懸挑跨度，然后利用在懸挑端部設(shè)置斜撐來傳遞豎向荷載，從而消除了因結(jié)構(gòu)豎向出現(xiàn)懸挑使樓層變形集中易出現(xiàn)破壞的因素。其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

在4層以下具有13.3m懸挑跨度的結(jié)構(gòu)上，通過在懸挑根部布置梁上柱及斜撐可減小懸挑跨度及傳遞豎向荷載，但若在5層以上具有26.7m懸挑跨度的結(jié)構(gòu)上采用類似處理模式，將要設(shè)置很多梁上柱和斜撐，進而增加施工難度和工程造價。因此，為了提高懸挑結(jié)構(gòu)的效率、減少設(shè)置的斜撐數(shù)量和對建筑使用功能的影響、并組建多條傳力路線，在這個理念的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外一些大型建筑轉(zhuǎn)換層和體育、工業(yè)建筑大懸挑的做法，設(shè)計中采用了在5～7層之間設(shè)置2層樓高的轉(zhuǎn)換桁架來承擔(dān)其上5～11層的豎向荷載。采用的轉(zhuǎn)換桁架分成了3跨，其中，端跨通過在桁架端部設(shè)置斜撐來支撐其上樓層的荷載，中間跨通過在桁架上設(shè)置2排(8根)立柱來支撐其上樓層的荷載。而且，為了保證構(gòu)件的內(nèi)力能夠得到有效傳遞，在設(shè)計上還將轉(zhuǎn)換桁架向主體結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸了一跨，并且延伸跨的斜撐繼續(xù)向其下樓層布置。

通過軟件模擬，此建筑懸臂轉(zhuǎn)換桁架的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

本設(shè)計中采用這種桁架式轉(zhuǎn)換層，一方面可以滿足建筑物功能上的需要，另外，采用轉(zhuǎn)換桁架可以較好地解決通風(fēng)采光的問題。而且桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力、傳力路徑明確，這種結(jié)構(gòu)使施工中的開洞和管道設(shè)置比較方便，且桁架轉(zhuǎn)換層的間隙可以采用輕質(zhì)建筑材料填充，有利于減輕鋼結(jié)構(gòu)的自重，抗震性能也較好。

2.2.3 斜撐設(shè)計優(yōu)化

斜撐在建筑中具有穩(wěn)固主體結(jié)構(gòu)的作用，本工程設(shè)計原方案中采用了較多的斜撐，數(shù)量達到321根，這種設(shè)計方案存在工程量大，施工成本高的問題。通過對結(jié)構(gòu)進行模擬分析，對主樓的斜撐系統(tǒng)進行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果是將提供抗側(cè)力作用的斜撐盡可能布置在樓梯間周圍，而且，盡量減少懸挑部位用于傳遞豎向作用力的斜撐數(shù)量，這種優(yōu)化不僅減少了斜撐對建筑使用功能的影響，同時也降低了斜撐施工的工程量。通過優(yōu)化后和原有的設(shè)計方案進行比較斜撐數(shù)量減少了213根，有效降低了工程量和滿足了建筑物使用功能的需求。方案比較如表1所示。

表1 斜撐數(shù)量方案對比

3 結(jié)論

對建筑工程而言，設(shè)計的重要性不言而喻，而建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計更是重中之重，同樣的工程項目，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的差別結(jié)果可能會截然不同。結(jié)構(gòu)設(shè)計通過合理的概念設(shè)計，準確的構(gòu)件布局，有藝術(shù)美感的截面形狀設(shè)計，造價經(jīng)濟空間占據(jù)小的結(jié)點構(gòu)造設(shè)計，以及良好的項目管理等幾大步驟的相互銜接和糅合，可打造出完美工程。

本文中的鋼結(jié)構(gòu)建筑就在此理念的前提下，組合了良好的項目管理團隊，對工程技術(shù)人員提出了更高的要求，通過研究工程特點，針對建筑結(jié)構(gòu)的功用性，對各構(gòu)件布局進行精確模擬計算，提出了合理有效的設(shè)計方案。最終使得該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案同比原設(shè)計方案，在技術(shù)經(jīng)濟性方面性能優(yōu)，為工程節(jié)約了約1 000 t的用鋼量，節(jié)約投資約1 000萬元。同時，減少了大量結(jié)構(gòu)斜撐，優(yōu)化了建筑功能環(huán)境，比原方案，增加層高150mm，滿足了業(yè)主的要求，打造出了優(yōu)質(zhì)典型的鋼結(jié)構(gòu)建筑之作。