建筑钢结构优化设计咨询及效益浅析

韦伟鸿+郭霞桃

摘 要：在以钢结构为主要形式的民用建筑中，用钢量的大小是影响建造成本的重要因素之一。传统思维模式下的建筑钢结构设计大都存在荷载系数取值过于保守、结构选型不合理、设计思维定势等现象，导致单位建筑用钢量大，钢结构施工成本大幅提高。如何在保证原有建筑构造、使用功能不变的情况下，减少钢材用量，实现降低成本的目的，是推行项目精益化管理的重要手段。文章以在某建工程为例，阐述钢结构优化的设计要点，为钢结构同行提供降本增效的经验借鉴和参考。

关键词：钢结构；优化设计；效益

中图分类号：TU391 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0112-04

1 项目简介

拟建项目位于湖南长沙市浏阳河畔，周边城区地质条件颇为复杂。工程占地约100亩，建设规模为22万m2，是一个集大型演艺活动、影视节目生产、艺术展览、创意工坊、观众参观通道等功能于一体的现代化“环球梦工厂”式的节目生产基地。工程包括6幢演播厅、1幢美术馆、1幢数据技术大楼和1幢下沉式广场+漂浮办公楼，各单体建筑地面以上为4～9层（见图1）。

2 主要钢结构形式

单个场馆主要结构形式为钢框架+钢桁架屋顶；钢柱多为箱型、圆管等截面形式；钢梁多采用焊接H型钢、箱型钢等截面；演播厅大跨度桁架多采用焊接箱型钢截面形式；楼板形式为压型钢板组合楼板与钢筋桁架楼承板；钢结构用总量约为3万吨，BIM结构模型图见图2。为实现项目精益化管理的目标，在项目施工图阶段全方位进行投资成本控制和管理，通过BIM技术的应用，结合钢结构设计规范及参考类似工程优化设计经验，全面实施精细化设计，并获得原施工图设计方的认同和采纳。

3 钢结构设计优化的原则

因本项目已经完成了钢结构施工图纸出图，从尊重原设计理念，在不改变原有建筑构造、风格、确保使用功能及结构安全的前提下，我们重点针对常规节点，遵循 “安全适用、技术先进、经济合理、施工方便”的原则提出优化设计建议，通过公开招标引进专业钢结构设计团队进行计算和制图，最终蓝图修改由原设计单位完成。

4 钢结构优化设计咨询建议要点

4.1 梁柱节点精细化设计

综合考虑制作、运输、安装等条件和能力，平衡各种利弊，优化构件节点，在满足规范标准及设计等要求的前提下对典型的节点进行优化处理，优化后的节点能够达到方便构件加工，提高加工速度，减少现场焊接量，降低成本，使构件受力更加合理等目的，典型梁柱节点优化设计（BIM模型）如表1所示。

4.2 柱截面精细化设计

由A馆演播厅地上柱网定位图得知，局部柱截面尺寸偏大，建议精细化设计钢柱截面尺寸，通过减少板厚为主，控制柱网尺寸不变，如其中KZ1、KZ2可采用内灌混凝土的做法，部分优化结果见表2。

4.3 结构次梁截面精细化设计

原设计局部次梁截面偏大，依据《钢结构设计规范》（GB50017-2014）第14.1.1条，采用考虑楼板作用按照组合梁设计后，保持原设计荷载不变，经计算局部次梁优化可优化截面尺寸，减少钢材用量，部分优化结果见表3 。部分框架梁截面偏大，经计算优化成果见表4、图2所示。

4.4 構造钢梁精细化设计

如A馆一层结构布置图（12-201）中，K轴处有地下室外墙，此处KL1主要为了解决搁置楼板，此处可采用角钢替代钢梁以搁置楼板，钢梁KL1建议取消。

4.5 楼板结构形式精细化设计

本项目中楼板结构形式采用压型钢板，原设计压型钢板底模厚度为0.9～1.1mm，而钢筋桁架楼承板底模厚度一般为0.5mm。压型钢板与钢筋桁架楼承板每平方的单价相同，但钢筋桁架楼承板上本身带有一个方向的配筋，经过综合比较改用钢筋桁架楼承板节省一个方向的楼板钢筋用量，造价相对较低，建议压型钢板改为钢筋桁架楼承板，依据规范进行设计优化，见图4。

4.6 楼梯精细化设计

原结构图采用梁式钢楼梯，见图5。钢结构楼梯存在饰面装修、现场吊装不便等因素，故建议改为混凝土楼梯，见图6。

4.7 屋顶桁架精细化设计

经查看桁架计算书，杆件应力富裕度较大，建议调整桁架杆件截面，控制应力比0.9左右即可。此外，考虑到现有的桁架布置形式虽为单向布置，但在垂直方向上同时拉有较多梁，建议由单向桁架布置改为正交双向桁架布置，可减小桁架高度及截面尺寸，受力性能更优。见图7、图8。

4.8 其它精细化设计建议分析举例

4.8.1 荷载系数折减。根据《建筑结构荷载规范》（GB5000

9-2012）第5.1.2条梁的从属面积超过25m2时，楼面梁可进行活荷载折减，折减系数可取为0.9，故可在模型中勾选按照梁从属面积进行折减或人为对梁活荷载进行折减。

4.8.2 消防车活荷载折减。消防车荷载可根据板跨、覆土厚度折减，可以折减两次，主梁、次梁、板可取不同的折减系数。故地下室顶板仅消防车道范围考虑消防车荷载，不必扩大作用范围。按照荷载规范第5.1.2条的规定，设计梁、柱、墙时，消防车荷载的活荷载折减系数取0.8。

4.8.3 减少隅撑数量。原设计框架梁下翼缘隅撑布置了4根L90×8角钢，优化设计时通过调整为两根对角线布置的形式，同样满足结构安全性与稳定性要求。

4.8.4 取消部分构造次梁。原设计地下室顶板厚度大部分为200mm；结构布置形式为单向次梁，由于首层荷载较大，板厚较厚，因此建议取消次梁。

从不改变原设计控制尺寸、立面风格，受力特征等角度考量，类似优化的节点范围较为可观，此处不一一举例。

5 结束语

经过本次优化设计咨询建议，初步核算（见右表），可以实现节约2100吨钢材的经济效果，同时有利于改善钢结构加工制作及现场施工工艺，加快施工进度，现场施工项目精益化管理的价值成果显著。通过BIM辅助建模及力学软件复核计算，针对钢结构典型节点优化和精细化设计的思路，可为同行提供借鉴参考。

参考文献：

[1]宋曼华.钢结构设计与计算[M].机械工业出版社，2006.

[2]钢结构（下册）[M].中国建筑工业出版社，2007.

[3]邱鹤年.钢结构设计禁忌及实例[M].中国建筑工业出版社，2009.

[4]谢国昂.钢结构设计深化及详图表达[M].中国建筑工业出版社，2010.endprint