工業建筑結構優化設計探析

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針對某工業廠房實際情況，在介紹其具體的結構選型基礎上，按照建設單位提出的盡可能減少結構用鋼量的要求，對廠房結構的首次和二次優化設計進行深入分析，提出相應的措施，最后經實踐得出本次優化設計能在保證結構穩定性的基礎上減少用鋼量的結論，所用優化設計措施合理可行，值得類似項目參考借鑒，提高工業建筑結構設計和優化水平，適應工業生產及發展提出的要求。近幾年，建設方對工業廠房建筑設計提出的要求不斷提高，尤其是經濟性方面的要求。為更好的適應市場基本要求，對設計人員而言，需要在設計優化與精細化方面作出足夠的努力。但不同工業廠房存在很大的差別，在實際工作中需要根據工程實際情況，采取適宜的優化設計方法，以此保證優化設計的針對性與有效性。

一、項目概況

某公司設計建造一座新車間，其總建筑面積約2萬m2，共5跨，每跨高度不等，采用鋼結構排架形式，長×寬=156m×126m，第一到第五跨的跨度分別為24m、24m、30m、24m和24m，高、低跨檐口高度分別為32m和17.6m，結構柱之間的距離為12m。該廠房中所有吊車的工作級別相同，均為A5，廠房布置情況如下：（1）第一跨：吊車噸位為50/10t，吊車臺數為2臺，軌距為22.5m，軌高為12m。（2）第二跨：吊車噸位為16/3.2t和20/5t，吊車臺數各1臺，軌距為22.5m，軌高為12m。（3）第三跨：上層：吊車噸位為75/20t，吊車臺數為1臺，軌距為28.5m，軌高為22.5m；下層：吊車噸位為50/10t和32/5t，各1臺，軌距為27m，軌高為16m。（4）第四跨：吊車噸位為16/3.2t和10t，吊車臺數各1臺，軌距為22.5m，軌高為12m。（5）第五跨：吊車噸位為50/10t和30/5t，吊車臺數各1臺，軌距為22.5m，軌高為16m。廠房設計中將基本風壓確定為0.35kN/m2，將基本雪壓確定為0.40kN/m2，按6度設防，地震加速度確定為0.05g，II類場地，特征周期為0.35s。現以工業廠房為例，對其建筑結構優化設計做如下深入分析。

二、結構選型

該廠房結構類型為鋼結構排架，下柱采用雙肢格構柱，其截面尺寸為：邊柱：（1200×500）mm；中柱：（1500×500）mm。上柱采用H型鋼，其截面尺寸為（600×300）mm，材質以Q235B鋼為主，柱腳形式為杯口插入。廠房屋面為梯形鋼屋架。廠房兩端跨分別布置柱間支撐，在中部按照48m的間隔距離布置柱間支撐，所有柱間支撐均為槽鋼。將冷彎薄壁型鋼作為屋面檁條，按連續檁條設計，墻梁同樣選擇冷彎薄壁型鋼，但類型與屋面檁條不同，屋面檁條為Z型，而墻梁為C型。除了吊車梁采用Q345B鋼，其余都采用Q235B鋼。該廠房的用鋼量可以達到140kg/m2。建設方對該廠房投資進行了嚴格控制，對用鋼量有著很高的要求。基于此，在做好初步方案設計的同時，也需要對結構予以必要的優化。

三、優化設計

1.首次優化

（1）對于排架柱，其初步設計方案對應的用鋼量在880t左右，受風載作用后，高跨柱頂部位移約H/437，應力比可以達到0.93。在優化設計過程中，將下柱肢距從最初的1500mm增加到1800mm，并將鋼材從最初的Q235鋼更換成Q345鋼，此時，受風載作用后的頂部位移將變為H/409，應力比將減小至0.74。可見，此次優化是從位移控制入手的，在提高所用鋼材的強度以后，應力水平并不很高。經過此次優化，用鋼量將減少到770t，共減少了110t左右。（2）對于吊車梁，其初步設計方案對應的用鋼量在549t左右，由于屬于初步設計，所以套用了標準圖集。如今，對吊車梁截面進行優化，采用非標準形式，同時根據實際情況進行考慮。經此次優化后，用鋼量將減少到504t，共減少了45t。（3）對于吊車梁軌道，其初步設計方案對應的用鋼量在140t左右，由于需要增加平板車，所以用鋼量有所增加，增加到152t，共增加了12t。（4）對于軌道連接件，其初步設計方案對應的用鋼量在30t左右，目前為33t左右，共增加了3t。（5）對于T型鋼屋架，其初步設計方案對應的用鋼量在270t左右，為提高其應力水平，從之前的0.90增加到0.95，此時用鋼量將減少到240t，共減少了30t。（6）對于屋面支撐，其初步設計方案對應的用鋼量在180t左右，由于設計中將桿件實際長細比調整為接近于規范提出的極限，所以經優化后的用鋼量將減少到160t，共減少了20t。（7）對于屋面檁條與拉條，其初步設計方案對應用鋼量在180t左右，此次優化并未作出太大改動，但由于之前沒有對通風器支座予以考慮，現需增設通風器支座，其噸位為38t左右，所以當前用鋼量增加到218t。（8）對于墻面檁條與拉條，其初步設計方案對應的用鋼量在170t左右，在優化設計過程中，風荷載高度系數進行分段取值，經此次優化，用鋼量減少到140t，共減少了30t。（9）對于雨披梁結構，在優化設計中于縱墻兩側進行雨披的加裝，而且增加了雨篷懸挑長度，這樣一來會使雨披梁實際用鋼量從8t增加至11t，增加了3t。與此同時，對于雨披檁條與拉條，其用鋼量將從之前的31.5t增加至60t，共增加了28.5t。（10）對于平臺，其初步設計方案對應的用鋼量為54t左右，在原計算過程中，多采用撓度控制的方式，在此次優化設計過程中充分考慮了平臺梁的適當起拱，基于此，用鋼量將減少至45t，共減少了9t。綜合考慮上述因素，總用鋼量將從2797.5t減少至2638t，共減少了159.5t，從單位面積用鋼量考慮，經此次優化，將從140.1kg/m2減少至132.1kg/m2。

2.二次優化

在二次優化過程中，提出了局部在設備安裝中涉及的用鋼量，包括通風器支座與吊車軌道。（1）對于排架柱，在本次優化過程中將下柱肢距從1800mm進一步增加至2000mm，這樣是為了對結構剛度進行改善，進一步提高結構整體應力水平。經此次優化之后，受風載作用后，高跨柱頂部實際位移將變為H/407，應力比在0.90，用鋼量在600t左右。然而，將柱肢距增加至2000mm以后，雖然在基礎方面會增加一些成本，但是廠房內使用面積也有一定的減少。（2）對于吊車梁，在此次優化過程中將應力比從0.90增加至0.95-1.00，實現滿應力設計。完成優化后，實際用鋼量將變為460t。（3）對于屋面支撐，從角鋼形式更改成方鋼管，完成此次優化設計之后，用鋼量將進一步減少至135t。（4）對于屋面檁條和拉條，在本次優化設計過程中改用桁架式檁條，同時將構件的應力水平提高至0.95-1.00。經本次優化設計，用鋼量將進一步減少至100t。（5）對于雨披檁條，在本次優化設計過程中采用桁架式檁條，經本次優化設計，用鋼量將變為40t。（6）對于平臺部分，此次沒有進行優化，然而，由于平臺作為輔房使用，可不采用鋼結構，采用其他結構進行輔房的搭建。因此，這一部分用鋼量可不計入實際的用鋼量統計。綜合考慮上述幾點，可將整個廠房的單位面積用鋼量進一步減少到101.2kg/m2。

3.優化設計總結

在實際的優化設計過程中，為減少用鋼量，在若干方面均采取了有效措施，比如，在切實滿足規范要求的基礎上，對柱、屋面構件都按照滿應力形式進行設計；對絕大多數支撐構件，其長細比都采用規范提出的極限；對于國家標準圖集提出的構件，在優化設計中進行適當修改，使斷面減小并減薄，確保應力與剛度指標都能達到規范提出的極限；另外，對于柱的斷面尺寸，和常規情況相比也有一定的變化。在結構設計達到精細化以后，能有效減少用鋼量，并降低造價。通過對上述措施的應用，可能對未來廠房設計修改及施工過程中的工藝布置帶來一定約束作用。

四、結語

綜上所述，為切實滿足建設單位提出的要求，該廠房項目進行了結構優化設計，經分析，以上優化設計是合理可行的，滿足建設單位提出的減少結構用鋼量的要求，所用優化設計措施值得類似項目參考借鑒，不斷積累相關成功經驗，為我國工業廠房建筑設計及優化積累寶貴的經驗，適應工業生產及發展提出的要求。

作者:周忠鳴 單位:信息產業電子第十一設計研究院 科技工程股份有限公司