建筑鋼結構優化設計咨詢及效益淺析

韋偉鴻+郭霞桃

摘 要：在以鋼結構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。傳統思維模式下的建筑鋼結構設計大都存在荷載系數取值過于保守、結構選型不合理、設計思維定勢等現象，導致單位建筑用鋼量大，鋼結構施工成本大幅提高。如何在保證原有建筑構造、使用功能不變的情況下，減少鋼材用量，實現降低成本的目的，是推行項目精益化管理的重要手段。文章以在某建工程為例，闡述鋼結構優化的設計要點，為鋼結構同行提供降本增效的經驗借鑒和參考。

關鍵詞：鋼結構；優化設計；效益

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0112-04

1 項目簡介

擬建項目位于湖南長沙市瀏陽河畔，周邊城區地質條件頗為復雜。工程占地約100畝，建設規模為22萬m2，是一個集大型演藝活動、影視節目生產、藝術展覽、創意工坊、觀眾參觀通道等功能于一體的現代化“環球夢工廠”式的節目生產基地。工程包括6幢演播廳、1幢美術館、1幢數據技術大樓和1幢下沉式廣場+漂浮辦公樓，各單體建筑地面以上為4～9層（見圖1）。

2 主要鋼結構形式

單個場館主要結構形式為鋼框架+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；鋼結構用總量約為3萬噸，BIM結構模型圖見圖2。為實現項目精益化管理的目標，在項目施工圖階段全方位進行投資成本控制和管理，通過BIM技術的應用，結合鋼結構設計規范及參考類似工程優化設計經驗，全面實施精細化設計，并獲得原施工圖設計方的認同和采納。

3 鋼結構設計優化的原則

因本項目已經完成了鋼結構施工圖紙出圖，從尊重原設計理念，在不改變原有建筑構造、風格、確保使用功能及結構安全的前提下，我們重點針對常規節點，遵循 “安全適用、技術先進、經濟合理、施工方便”的原則提出優化設計建議，通過公開招標引進專業鋼結構設計團隊進行計算和制圖，最終藍圖修改由原設計單位完成。

4 鋼結構優化設計咨詢建議要點

4.1 梁柱節點精細化設計

綜合考慮制作、運輸、安裝等條件和能力，平衡各種利弊，優化構件節點，在滿足規范標準及設計等要求的前提下對典型的節點進行優化處理，優化后的節點能夠達到方便構件加工，提高加工速度，減少現場焊接量，降低成本，使構件受力更加合理等目的，典型梁柱節點優化設計（BIM模型）如表1所示。

4.2 柱截面精細化設計

由A館演播廳地上柱網定位圖得知，局部柱截面尺寸偏大，建議精細化設計鋼柱截面尺寸，通過減少板厚為主，控制柱網尺寸不變，如其中KZ1、KZ2可采用內灌混凝土的做法，部分優化結果見表2。

4.3 結構次梁截面精細化設計

原設計局部次梁截面偏大，依據《鋼結構設計規范》（GB50017-2014）第14.1.1條，采用考慮樓板作用按照組合梁設計后，保持原設計荷載不變，經計算局部次梁優化可優化截面尺寸，減少鋼材用量，部分優化結果見表3 。部分框架梁截面偏大，經計算優化成果見表4、圖2所示。

4.4 構造鋼梁精細化設計

如A館一層結構布置圖（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 樓板結構形式精細化設計

本項目中樓板結構形式采用壓型鋼板，原設計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相同，但鋼筋桁架樓承板上本身帶有一個方向的配筋，經過綜合比較改用鋼筋桁架樓承板節省一個方向的樓板鋼筋用量，造價相對較低，建議壓型鋼板改為鋼筋桁架樓承板，依據規范進行設計優化，見圖4。

4.6 樓梯精細化設計

原結構圖采用梁式鋼樓梯，見圖5。鋼結構樓梯存在飾面裝修、現場吊裝不便等因素，故建議改為混凝土樓梯，見圖6。

4.7 屋頂桁架精細化設計

經查看桁架計算書，桿件應力富裕度較大，建議調整桁架桿件截面，控制應力比0.9左右即可。此外，考慮到現有的桁架布置形式雖為單向布置，但在垂直方向上同時拉有較多梁，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。見圖7、圖8。

4.8 其它精細化設計建議分析舉例

4.8.1 荷載系數折減。根據《建筑結構荷載規范》（GB5000

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

4.8.2 消防車活荷載折減。消防車荷載可根據板跨、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。故地下室頂板僅消防車道范圍考慮消防車荷載，不必擴大作用范圍。按照荷載規范第5.1.2條的規定，設計梁、柱、墻時，消防車荷載的活荷載折減系數取0.8。

4.8.3 減少隅撐數量。原設計框架梁下翼緣隅撐布置了4根L90×8角鋼，優化設計時通過調整為兩根對角線布置的形式，同樣滿足結構安全性與穩定性要求。

4.8.4 取消部分構造次梁。原設計地下室頂板厚度大部分為200mm；結構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。

從不改變原設計控制尺寸、立面風格，受力特征等角度考量，類似優化的節點范圍較為可觀，此處不一一舉例。

5 結束語

經過本次優化設計咨詢建議，初步核算（見右表），可以實現節約2100噸鋼材的經濟效果，同時有利于改善鋼結構加工制作及現場施工工藝，加快施工進度，現場施工項目精益化管理的價值成果顯著。通過BIM輔助建模及力學軟件復核計算，針對鋼結構典型節點優化和精細化設計的思路，可為同行提供借鑒參考。

參考文獻：

[1]宋曼華.鋼結構設計與計算[M].機械工業出版社，2006.

[2]鋼結構（下冊）[M].中國建筑工業出版社，2007.

[3]邱鶴年.鋼結構設計禁忌及實例[M].中國建筑工業出版社，2009.

[4]謝國昂.鋼結構設計深化及詳圖表達[M].中國建筑工業出版社，2010.endprint