高層鋼結構建筑優化設計管理

趙 鐘，陶曙文

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

隨著城市集約化用地要求的不斷提高，建筑向高發展的趨勢越來明顯，西方發達國家在把建筑向高發展的過程中，運用鋼結構技術建筑了很多經典的作品，這些建筑不僅充分滿足了城市建設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構建筑的成功技術，一大批造型新穎、美觀實用的高層鋼結構建筑在東部發達地區鱗次櫛比，隨著產業西行，高層和異型鋼結構建筑也開始在西部地區落地生根。

本文以西南地區某鋼結構建筑工程為例，通過運用良好項目管理模式，對結構進行優化設計，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、商務辦公為一體的綜合體的鋼結構建筑，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，裙房和主樓之間設置結構縫，兩側的裙房為鋼筋混凝土框架結構，中間主樓的地上部分擬采用鋼框架結構，如圖1所示。

圖1 主樓的結構框架示意

此建筑在結構設計上有以下幾個特點和設計難點。

(1)整棟建筑主樓體形復雜，平面及立面均不規則。主樓右側底層有大片2層樓高的穿層柱，右側5層以上根據建筑造型要求要設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，需進行結構轉換;

(3)主樓左側在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層以上的辦公區域層高為3.5m，業主要求，在滿足建筑物使用功能前提下，其結構設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，無論是對設計單位還是施工單位都具有很大挑戰。

2 設計方案的優化管理

2.1 設計方案分析

該建筑的結構，承建方原委托一家建筑設計院進行了設計，但經過業主的評價，該設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主要求，該設計方案特點有:

(1)主樓上部結構體系為鋼架+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樓以上辦公區域層高為3.5m，扣除梁高、設備高度、建筑面層及抹灰后，凈高約為2.3m，不能滿足業主對建筑物凈高不小于2.4m的要求。

2.2 設計方案的優化

針對原結構設計存在的問題，通過組合技術團隊實施良好的工程項目管理，在建筑的結構體系布置、使用功能、外觀審美等方面進行了優化設計，使得各方面都能滿足業主指標要求。

2.2.1 建筑轉換結構設計

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，在設計優化中利用了4層室外平臺的開敞空間，在4層和5層之間設置了人字型的轉換斜撐。該轉換斜撐采用的是鋼管混凝土構件，既可懸吊2至4層，又可支承5至7層的結構與荷載，此轉換結構的模型如圖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，優化設計中在5層樓面下采用了1.5m高的轉換桁架來承擔5～8層的結構與荷載。

圖2 斜撐轉換模型

圖3 4層以下懸挑結構支承模型

圖4 5層以上懸挑結構轉換桁架模型

2.2.2 懸挑結構設計優化

此建筑主樓左側，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構帶來的豎向承載力突變較大影響建筑的安全性能的問題，通過對結構方案的優化和對比分析，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置斜撐來傳遞豎向荷載，從而消除了因結構豎向出現懸挑使樓層變形集中易出現破壞的因素。其結構模型如圖3所示。

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

通過軟件模擬，此建筑懸臂轉換桁架的結構模型如圖4所示。

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

2.2.3 斜撐設計優化

斜撐在建筑中具有穩固主體結構的作用，本工程設計原方案中采用了較多的斜撐，數量達到321根，這種設計方案存在工程量大，施工成本高的問題。通過對結構進行模擬分析，對主樓的斜撐系統進行了優化，優化結果是將提供抗側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量，這種優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。通過優化后和原有的設計方案進行比較斜撐數量減少了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 斜撐數量方案對比

3 結論

對建筑工程而言，設計的重要性不言而喻，而建筑結構的優化設計更是重中之重，同樣的工程項目，由于結構設計的差別結果可能會截然不同。結構設計通過合理的概念設計，準確的構件布局，有藝術美感的截面形狀設計，造價經濟空間占據小的結點構造設計，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。

本文中的鋼結構建筑就在此理念的前提下，組合了良好的項目管理團隊，對工程技術人員提出了更高的要求，通過研究工程特點，針對建筑結構的功用性，對各構件布局進行精確模擬計算，提出了合理有效的設計方案。最終使得該結構設計方案同比原設計方案，在技術經濟性方面性能優，為工程節約了約1 000 t的用鋼量，節約投資約1 000萬元。同時，減少了大量結構斜撐，優化了建筑功能環境，比原方案，增加層高150mm，滿足了業主的要求，打造出了優質典型的鋼結構建筑之作。