門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)以其用鋼量省、造價低、性能好、設(shè)計及制作簡單、工期短等優(yōu)點，受到廣大業(yè)主的歡迎和選擇，目前在國內(nèi)已成為廠房、倉庫、其他大空間多用途房屋的主流結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式與普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。有經(jīng)驗工程師可以根據(jù)受力特點充分發(fā)揮材料的作用，經(jīng)驗較少的工程師如果仍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計思維進行設(shè)計，在浪費材料的同時，也可能出現(xiàn)設(shè)計錯誤，需要引起相關(guān)從業(yè)人員的注意和重視。以下以一個具體項目為例，對設(shè)計過程中出現(xiàn)的部分問題進行分析。本項目在解決設(shè)計問題的同時，節(jié)省結(jié)構(gòu)成本20%。

01、項目概況：

項目地點：西安市項目體量：占地面積18萬平米，總建筑面積17萬方項目業(yè)態(tài)：主要由單層門剛廠房、多層鋼框架廠房組成場地烈度：8度（0.2g）設(shè)計地震分組：第二組場地類別：Ⅲ類基本風壓：0.35kN/m2基本雪壓：0.30kN/m2

02、優(yōu)化成果展示：

門剛廠房構(gòu)件截面尺寸小，對荷載敏感，因此需要從根本上對荷載進行優(yōu)化，同時結(jié)合對結(jié)構(gòu)構(gòu)件、支撐體系和圍護系統(tǒng)的合理布置，才能最終將成本指標控制到最優(yōu)。本項目主要從以下幾個方面進行優(yōu)化，優(yōu)化成果匯總?cè)缦拢?

咨詢要點介紹：

2.1 屋面荷載：

鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面橫荷載較小，一般輕鋼屋面約0.3KN/m2，屋面設(shè)光伏板時總計約0.5KN/m2。一般民用設(shè)計院習慣了混凝土結(jié)構(gòu)保守取大值的設(shè)計思路，將此沿用到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，屋面恒載甚至取1.0KN/m2。其實對于鋼結(jié)構(gòu)并不是取值越大越安全，有時會因為恒載取值比實際偏大較多，而對風吸力的影響估計不足，導(dǎo)致安全事故。

本項目通過對荷載取值的優(yōu)化，精細控制各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，節(jié)省用鋼量。同時，由于地處高烈度區(qū)，屋面恒載的優(yōu)化可以大大減小地震作用，從而為基礎(chǔ)樁基優(yōu)化提供了條件。

▲ 屋面荷載導(dǎo)算過程

2.2 基礎(chǔ)樁基：

廠房基礎(chǔ)成本在整體造價占比較大，有時候甚至會因為地基條件的差異影響地上經(jīng)濟柱跨和柱距的選擇，此項成本不容忽視，而且與地上成本密切相關(guān)。本項目通過荷載優(yōu)化控制了柱底彎矩，從而優(yōu)化樁基數(shù)量和管樁長度。本項優(yōu)化節(jié)省額約200萬元。

2.3 剛架截面：

剛架作為門剛廠房的主要構(gòu)件，其設(shè)計是個系統(tǒng)化的過程，主要涉及柱截面形式的選擇，截面是否分段，剛架梁截面的確定，梁分段位置的確定，支撐系桿體系的布置，平面外計算長度的確定。本工程結(jié)合項目具體條件，優(yōu)化各構(gòu)件支撐條件及截面尺寸，充分利用截面寬厚比及發(fā)揮截面腹板屈曲后強度，將截面尺寸控制到最優(yōu)。本項優(yōu)化節(jié)省額約1240萬元。

▲ 門式剛架截面形式

▲ 門式剛架彎矩圖

2.4 檁條體系：

檁條系統(tǒng)作為輕鋼廠房的主要圍護構(gòu)件之一，其工程量在總體造價上也占有相當比例。本項目通過細化風荷載分區(qū)，詳細區(qū)分檁條截面，并在與鋼構(gòu)廠家溝通確定檁條成本僅與用鋼量有關(guān)后，根據(jù)實際荷載設(shè)計出非標自定義截面，從而充分發(fā)揮了構(gòu)件強度，并節(jié)省了用鋼量。本項優(yōu)化節(jié)省額約240萬元。

2.5 墻梁體系優(yōu)化：

墻面檁條體系與屋面檁條體系有個典型的區(qū)別，屋面檁條主要受力為單軸受彎構(gòu)件，自重、雪荷載、風荷載基本都是垂直于屋面板作用的，而墻面檁條是典型的雙軸受彎構(gòu)件，自重是沿檁條弱軸作用的，風荷載沿檁條強軸作用。本項目通過優(yōu)化墻面檁條的傳力路徑和受力模式，將通過構(gòu)件的受壓和受彎傳力模式調(diào)整為受拉傳力模式，大大提高了結(jié)構(gòu)傳力效率，檁條用鋼量節(jié)省50%以上。本項優(yōu)化節(jié)省額約420萬元。

下圖左側(cè)為橫向采用矩形鋼管，C型槽鋼豎放的檁條布置體系；下圖右側(cè)為C型槽鋼橫放的檁條布置體系，豎向采用φ12圓鋼拉結(jié)傳力，是最為經(jīng)濟的傳力體系。

▲ 墻面檁條系統(tǒng)

2.6 支撐體系：

門剛廠房一般為二維受力體系，在剛架平面內(nèi)為幾何不變體系，平面外需要通過支撐體系將平面外機構(gòu)變?yōu)榉€(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。本項目采用對支撐體系布置形式的優(yōu)化，在滿足結(jié)構(gòu)剛度要求的情況下，節(jié)省了構(gòu)件的截面尺寸。

▲ 縱向支撐體系

2.7 多層廠房結(jié)構(gòu)體系：

多層廠房一般按鋼框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計，本項目結(jié)合頂部樓層業(yè)主工藝流程的要求，在常規(guī)大空間抽放的基礎(chǔ)上，將頂部樓層采用了門剛的結(jié)構(gòu)體系，與下部的鋼框架體系相結(jié)合的形式，從而采用了提高了構(gòu)件使用效率，達到節(jié)省用鋼量的目的。本項優(yōu)化節(jié)省額約500萬元。

03、總 結(jié)：

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理簡潔、明確，但是結(jié)構(gòu)形式千變?nèi)f化，要達到既滿足功能要求，又節(jié)省投資預(yù)算的目的，就需要對各種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計技巧有足夠的積累，用巧妙的受力設(shè)計方式才用在常規(guī)項目中挖掘出更大價值。

▌作者：同辰建筑 師乙丹

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