工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

周忠鳴

針對某工業(yè)廠房實際情況，在介紹其具體的結(jié)構(gòu)選型基礎(chǔ)上，按照建設(shè)單位提出的盡可能減少結(jié)構(gòu)用鋼量的要求，對廠房結(jié)構(gòu)的首次和二次優(yōu)化設(shè)計進行深入分析，提出相應(yīng)的措施，最后經(jīng)實踐得出本次優(yōu)化設(shè)計能在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上減少用鋼量的結(jié)論，所用優(yōu)化設(shè)計措施合理可行，值得類似項目參考借鑒，提高工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化水平，適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展提出的要求。

近幾年，建設(shè)方對工業(yè)廠房建筑設(shè)計提出的要求不斷提高，尤其是經(jīng)濟性方面的要求。為更好的適應(yīng)市場基本要求，對設(shè)計人員而言， 需要在設(shè)計優(yōu)化與精細化方面作出足夠的努力。但不同工業(yè)廠房存在很大的差別，在實際工作中需要根據(jù)工程實際情況，采取適宜的優(yōu)化設(shè)計方法，以此保證優(yōu)化設(shè)計的針對性與有效性。

一、項目概況

某公司設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)各1臺，軌距為22.5m，軌高為16m。

廠房設(shè)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(shè)防，地震加速度確定為0.05g，II類場地，特征周期為0.35s?，F(xiàn)以工業(yè)廠房為例，對其建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計做如下深入分析。

二、結(jié)構(gòu)選型

該廠房結(jié)構(gòu)類型為鋼結(jié)構(gòu)排架，下柱采用雙肢格構(gòu)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(zhì)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(xù)檁條設(shè)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(shè)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?；诖?，在做好初步方案設(shè)計的同時，也需要對結(jié)構(gòu)予以必要的優(yōu)化。

三、優(yōu)化設(shè)計

1.首次優(yōu)化

（1）對于排架柱，其初步設(shè)計方案對應(yīng)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(yīng)力比可以達到0.93。在優(yōu)化設(shè)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?yōu)镠/409，應(yīng)力比將減小至0.74?？梢?，此次優(yōu)化是從位移控制入手的，在提高所用鋼材的強度以后，應(yīng)力水平并不很高。經(jīng)過此次優(yōu)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(shè)計方案對應(yīng)的用鋼量在549t左右，由于屬于初步設(shè)計，所以套用了標準圖集。如今，對吊車梁截面進行優(yōu)化，采用非標準形式，同時根據(jù)實際情況進行考慮。經(jīng)此次優(yōu)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(shè)計方案對應(yīng)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(shè)計方案對應(yīng)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(shè)計方案對應(yīng)的用鋼量在270t左右，為提高其應(yīng)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(shè)計方案對應(yīng)的用鋼量在180t左右，由于設(shè)計中將桿件實際長細比調(diào)整為接近于規(guī)范提出的極限，所以經(jīng)優(yōu)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(shè)計方案對應(yīng)用鋼量在180t左右，此次優(yōu)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(xiàn)需增設(shè)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(shè)計方案對應(yīng)的用鋼量在170t左右，在優(yōu)化設(shè)計過程中，風荷載高度系數(shù)進行分段取值，經(jīng)此次優(yōu)化，用鋼量減少到140t，共減少了30t。

（9）對于雨披梁結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化設(shè)計中于縱墻兩側(cè)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(shè)計方案對應(yīng)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(yōu)化設(shè)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(jīng)此次優(yōu)化，將從140.1kg/m2減少至132.1kg/m2。

2.二次優(yōu)化

在二次優(yōu)化過程中，提出了局部在設(shè)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(yōu)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(jié)構(gòu)剛度進行改善，進一步提高結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平。經(jīng)此次優(yōu)化之后，受風載作用后，高跨柱頂部實際位移將變?yōu)镠/407，應(yīng)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(chǔ)方面會增加一些成本，但是廠房內(nèi)使用面積也有一定的減少。

（2）對于吊車梁，在此次優(yōu)化過程中將應(yīng)力比從0.90增加至0.95-1.00，實現(xiàn)滿應(yīng)力設(shè)計。完成優(yōu)化后，實際用鋼量將變?yōu)?60t。

（3）對于屋面支撐，從角鋼形式更改成方鋼管，完成此次優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計過程中改用桁架式檁條，同時將構(gòu)件的應(yīng)力水平提高至0.95-1.00。經(jīng)本次優(yōu)化設(shè)計，用鋼量將進一步減少至100t。

（5）對于雨披檁條，在本次優(yōu)化設(shè)計過程中采用桁架式檁條，經(jīng)本次優(yōu)化設(shè)計，用鋼量將變?yōu)?0t。

（6）對于平臺部分，此次沒有進行優(yōu)化，然而，由于平臺作為輔房使用，可不采用鋼結(jié)構(gòu)，采用其他結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yōu)化設(shè)計總結(jié)

在實際的優(yōu)化設(shè)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(guī)范要求的基礎(chǔ)上，對柱、屋面構(gòu)件都按照滿應(yīng)力形式進行設(shè)計；對絕大多數(shù)支撐構(gòu)件，其長細比都采用規(guī)范提出的極限；對于國家標準圖集提出的構(gòu)件，在優(yōu)化設(shè)計中進行適當修改，使斷面減小并減薄，確保應(yīng)力與剛度指標都能達到規(guī)范提出的極限；另外，對于柱的斷面尺寸，和常規(guī)情況相比也有一定的變化。在結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用，可能對未來廠房設(shè)計修改及施工過程中的工藝布置帶來一定約束作用。

四、結(jié)語

綜上所述，為切實滿足建設(shè)單位提出的要求，該廠房項目進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)分析，以上優(yōu)化設(shè)計是合理可行的，滿足建設(shè)單位提出的減少結(jié)構(gòu)用鋼量的要求，所用優(yōu)化設(shè)計措施值得類似項目參考借鑒，不斷積累相關(guān)成功經(jīng)驗，為我國工業(yè)廠房建筑設(shè)計及優(yōu)化積累寶貴的經(jīng)驗，適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展提出的要求。