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浅谈轻钢结构厂房优化设计

内容提要：轻钢厂房的优化设计是控制工程成本的关键一步，本文结合工程实际，从各个方面分析了所采取的结构优化措施对轻钢厂房工程用钢量的影响，同时提出经济性轻钢结构设计的要点，并提出优化设计绝不是以降低结构的安全度来取得经济效益。
主题词：轻钢厂房 优化设计 经济效益

轻钢厂房在不降低结构安全性的前提下，如何做得更合理、更经济，是钢结构设计师，也是建设单位最关注的一个问题，因为它直接关系到工程的造价和施工单位的中标与否。据权威资料分析，在前期规划阶段，影响工程造价的可能性为75%~95%；在初步设计阶段，影响工程造价的可能性为35%~75%；在施工图设计阶段，影响工程造价的可能性为5%~35%。因此，设计质量的好坏，设计是否优化，对工程造价将会产生直接的影响。如果能在前期决策阶段和设计阶段就事先主动参与，进行优化设计，特别是主体结构方案优化，则可能会产生巨大的经济效益，从而使工程项目既安全可靠，又经济实用，当然这需要工程各方特别是建设单位的大力支持和设计施工各方的协助、配合。
下面以某厂房优化设计为例，在结构体系、楼层梁、檩条墙梁、支撑系统、围护系统等方面进行简要分析，说明采取优化设计措施对工程造价带来的影响，可带来一定的经济效益，供类似工程设计时参考。
一、工程概况
青岛XX精密机电有限公司一期新建工程冲压/电工厂，建筑面积14164㎡，长度87m，宽度117m，中间柱距12m，两侧边跨柱距7.5m，最大柱网尺寸12mX12m，刚架檐口标高12.450m，厂房跨度分别为10.5m+12mX8+10.5m，共10跨，其中边部一侧三跨为局部夹层，其余七跨每跨间均有3t单梁地操吊车多台，屋面为弧形屋面，主体圆弧半径R=117m，不上人轻钢屋面采用双层彩钢板加保温棉形式，屋面采用不锈钢天沟有组织排水。
本工程系台湾独资企业，设计总承包和现场施工管理亦为台资企业。
二、厂房优化设计采取的措施
结合本工程的建筑特点，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）等相关国家规范、规程，在满足原使用要求的基础上，为合理降低造价，减少用钢量，从以下各方面进行了优化设计：
1、结构体系的选择
在主体结构设计之前，结构体系的选择对工程起着至关重要的作用，特别是像这样一个既有吊车又有局部夹层比基本的轻钢厂房稍微复杂一些的结构。本工程原设计对整个厂房采用的是双向刚接，软件计算分析时采用空间三维建模。本人提出单向刚架（横向）+支撑（纵向）体系，厂房总体考虑框排架结构，即一侧为刚架方向（梁柱连接为刚接），另一侧采用设柱间支撑的形式（梁柱连接为铰接），该结构体系得到了业主指定的审图单位台湾XX工程顾问有限公司专家老师的支持，并肯定这种体系构造是最经济的。在主框架结构设计过程中，由于本工程跨度只有12m，为便于构件的制作和实现标准化，均按照等截面梁进行设计。对于其它跨度较大的厂房，一般超过15m，可根据荷载作用下刚架的受力特点，多方考虑构件的制作、运输等情况，对屋面梁进行合理分段和截面设计，框架中间钢梁采用等截面，跨度的两端钢梁采用加腋变截面梁，利用截面变化，使各截面组合内力与材料设计强度的比值尽可能接近，即采用满应力设计，从而使得刚架的设计经济合理。
在单层有吊车部分，在吊车梁标高处因为吊车梁可以兼做系杆，所以此高度可以不设系杆。在设计时为保证房屋的整体刚度，采取了一些必要的措施，如刚架柱柱顶的刚性系杆不再采用双檩条兼做，而是采用圆钢管做系杆，此部分整体设计思路是按门刚的思路进行设计。对于整体厂房（包括有夹层部分），本人对横向框架、纵向排架分别进行平面建模，验算变形，厂房区域柱顶纵向最大位移为5.2mm，夹层区域柱顶纵向最大位移为6.1mm，各轴纵向变形无明显差距，符合现有国家规范的要求。该工程施工图和设计计算文件整理完毕，一式两份分别报送建设单位指定的台湾XX工程顾问有限公司和当地审图机构，顺利地通过了他们的审核。经公司内相关部门统计，原设计图纸主框架用钢量为1273.7吨，优化后图纸主框架用钢量仅为612.9吨，主框架一项，用钢量就节省了660.8吨，产生了巨大的经济效益。
2、对厂房内夹层楼面次梁的设计方法
楼面钢结构次梁一般按照简支梁考虑，而简支梁又分为组合梁和非组合梁。原施工图对厂房内夹层处按照空间建模，且楼面梁按照非组合梁进行设计计算。本人在优化设计时框架模型由原来的空间结构模型改为平面结构模型，即只建一榀刚架的模型进行计算，框架与框架之间次梁采用铰接连接，次梁亦按照铰接组合梁考虑，设计参数控制均按照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）要求。经本人计算比较，组合梁的截面高度和钢板厚度都比原设计小了很多。
3、檩条墙梁的设计考虑
从节省用钢量的角度来看，应尽量减少使用C型简支檩条，而多采用Z型连续檩条，因为根据力学模型，同截面连续梁的承载力远大于简支梁，原设计和本人在该工程的设计时都按照连续檩条考虑，本人在不影响采购制作和安装的情况下，把檩条高度稍微做高、钢板厚度稍微变薄了些，这种做法在一般情况下也比较经济。经过后期统计比较，原设计用钢量为185.6吨，现设计用钢量为169.3吨，具有一定的经济效益。至于墙梁，若工程中窗洞口或设备洞口较多，则一般不采用Z型连续形式，为施工方便，建议统一采用简支C型，本工程均采用了简支C型墙梁，用钢量未有变化。
4、系杆支撑系统的设置
多数梁柱在计算中，都是平面外稳定起控制作用，我们在梁上或边跨柱上设隅撑，让它和檩条墙梁组成受力系统，可以减少梁柱平面外计算长度，对于中柱，由于没有墙面，无法做隅撑，则可通过设置通长系杆来减少柱平面外计算长度，本工程取消了原施工图中位于柱顶和吊车梁处大量纵向钢梁，柱顶采用圆管系杆，吊车梁标高处则采用吊车梁兼做系杆，来减少柱平面外的计算长度。
由于原设计采用空间结构三维建模，纵向方向的位移控制全部由纵向钢梁承担，优化后的结构体系在横向为平面结构体系，在纵向需要根据结构需要在不同位置设置柱间支撑，来承担厂房的纵向水平力。根据业主的工艺要求，在单层厂房以吊车梁牛腿为界，上柱采用单角钢支撑，下柱采用双角钢支撑，局部采用桁架式支撑；二层结构处为不影响业主的正常使用，考虑设置人字形型钢支撑。无论是单层还是夹层处，柱间支撑的设置位置均与水平支撑位置相对应，以保证纵向水平力的传递，使得整个厂房受力明确，传力直接简捷。在进行支撑系统的施工图绘制时，根据计算后结果，适当加大了支撑的截面，使支撑系统有15%~20%的富余量。优化后的支撑系统用钢量虽然比原图多出55吨，但保证了厂房的安全性。
5、围护及其它构造的优化考虑
围护系统是指彩钢板、保温层、天沟等。彩钢板由于板型、基板厚度、镀（铝）锌层厚度、厂家的不同，价格会有较大的差别；保温层有超细玻璃丝棉、岩棉等分别；天沟材料分为不锈钢、彩板、钢板。以上任何一方围护材料选择的差异，都会影响厂房的总造价。本工程在不改变原建筑风格的前提下，建议业主采用市场常用的围护材料，也节省了一部分投资，适当避免了一些不必要的浪费。
本示例工程原施工图总用钢量（包括主构件、檩条墙梁、支撑系统）为1494吨，优化后施工图总用钢量为888吨，取得了一定的经济效益。该工程于2007年底建成投入使用，经本人多次回访，得知现已满负荷使用，未出现任何异常。
通过以上论述，我们可知钢结构的优化设计是大有可为的，优化设计不但在经济效益上较为明显，而且使结构的受力更加合理，但优化设计绝不是以降低结构的安全度，来提高经济效益。
以上是我在设计工作中的一点心得，希望我提供的一些思路，能够对各位同仁、读者有所启发和帮助。