浅议建筑钢结构的优化设计_论文发表__墨水学术,论文发表,发表论

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:153

副标题#e#
　　浅议建筑钢结构的优化设计
　　河北省衡水市北方设计勘察有限责任公司户克传053000
　　建筑钢结构因其适用范围广、施工周期短而被越来越多的业主接受，在钢结构厂房的设计中，设计人员应根据厂房不同的工艺要求、吊车吨位，选择合理的结构形式，确定经济的柱距、跨度，充分发挥钢结构厂房的优势，同时也应积极选用新型钢材，最大程度地利用材料特性，加强结构和构件的规格化、统一化、标准化工作，以提高钢结构工业化生产水平，加速从标准化构件生产向标准化房屋生产的过度。但建筑钢结构的经济性能一直是大家最为关注的一个问题。如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计阶段是关键阶段。据权威资料统计分析，在技术设计阶段，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产生直接的影响。下面我们就探讨一下在设计阶段应从以下两个方面来如何控制工程造价，提高建筑经济性能的可行性。
　　1、主体结构如何降低用钢量来进行造价控制
　　在结构设计中，影响钢结构用钢的因素较多，对不同类型的结构，影响用钢的因素也有区别和侧重。单层门式刚架厂房结构较为简单，影响因素也容易叙述一些。对于一般的结构来说有一定的普遍性。
　　（1）结构的支撑体系：单层单跨厂房结构(门式刚架)横向是一个排架结构，纵向是由绞接的系杆和支撑组成的稳定体系，钢梁钢柱是用隅撑来减少平面外的计算长度，以减少主刚架的用钢量。也许有人会提出沿厂房纵向亦可做成刚节点。可以这样做，但一般不这样做，因为刚节点施工麻烦，而且用钢量较大。在实际设计中，无论多高层还是单层的门式刚架结构，使用支撑和取消支撑，用钢量能增加30％。并且对于提高结构强度和刚度，控制结构变形，使用支撑系统更有效，从而可节约建筑造价。但其缺点是支撑系统要占据一定空间位置，这一点，常与建筑美观和使用方便产生矛盾。有时由于使用上的要求，例如门和通道等，十字形斜撑不能使用。国内外工程师们创造使用了不同形式的门式支撑。这些支撑的共同特点是支撑杆件直接与柱脚或基础相连，以将上部结构承受的水平力直接传入基础，并且可以满足一般通行要求。
　　（2）荷载：荷载的大小对于结构用钢有着直接的影响。荷载增加，用钢会随之增加。以下以门式刚架为例，主要包括以下几种荷载：屋面恒载、屋面悬挂荷载、屋面活载，这几种荷载中屋面恒载是容易确定的，屋面活载按规范取值。但附加悬挂载则常因厂房而异，应在设计中予以特别注意。在屋面恒载和活载一定的情况下，悬挂荷载对用钢量的影响(主刚架)大概在25%左右，由此看用钢随荷载的增加是非常显著的。设计人员在收集初步设计资料时应尽可能将荷载情况了解清楚。因为荷载对用钢的影响很大。此外荷载的大小直接关系到结构的安全乃至用户的生命财产。结构设计时必须慎重荷载的取值，应从业主那里得到文字依据。
　　（3）结构跨度：厂房跨度对用钢的影响。经验证明，一般在18米~24米的跨度是比较经济的跨度，小于18米的跨度不能充分发挥钢结构的各方面特性；大于24米时，主刚架的用钢量也会明显增加，如果在厂房总跨度不变时，增设中间柱可以减少主刚架的用钢量，一般能比单跨的用钢量减少30%左右。所以增加中间柱，减少厂房跨度，降低用钢的效果非常显著。当然设不设中间柱要根据工艺等各方面的要求作综合考虑。在方案确定之前，向业主(建设方)提供专业咨询信息，帮助业主合理安排建设资金应该是会受到业主欢迎的。
　　（4）柱距：不少研究都表明，刚架折成每平方米的重量随着柱距的增加而减少。减少的趋势会随着柱距的增加而趋于平缓。这是因为，一方面柱距增加，每榀刚架的受荷面积随之增#p#副标题#e#加，刚架梁、柱的截面尺寸，从而单榀刚架的重量亦会随之增大。另一方面，由于柱距增加，跨度不变，则刚架折成每平方米的重量随着面积增大而减小。当柱距不大时，例如从6M增至8M，单榀刚架荷载增加不很大，单榀刚架的重量增加亦不很大，因此折成每平方米的重量减少较为明显。柱距就是檩条的跨度，檩条的用钢是绝对随跨度增加而增加的。综合考虑，对于无吊车轻钢结构体系的柱距取为7.5～8m之间是合理的，有吊车的轻钢结构的理想柱距为7.5m左右。这时结构用钢量相对较低，可以得到较好的经济效益。因此可以得出一个大致的结论，在通常使用的跨度范围内，7.5m左右的柱距可能得到较好的经济效果，超过9m以后，结构用钢会明显增加。
　　（5）钢材强度：这里钢材强度是指钢的屈服强度，因为钢材的设计强度是根据其屈服强度而确定的。国内建筑常用钢材为Q235和Q345，即钢材的屈服强度fy=235N/mm2和fy=345N/mm2，由轴心受拉的公式N=Afy得Q235钢所需的杆件截面面积为Q345钢的1.47倍。面积乘以杆件长度即为用钢量，当长度确定时，则Q235的用钢为Q345用钢的1.47倍。值得指出的是，当结构构件的用钢是由其强度控制时，Q345的用钢要比Q235节约，可用上述的数值概念来衡量。但当构件的尺寸是由变形(刚度)和稳定控制时，如混凝土柱钢梁结构，钢材强度的影响就不十分显著，构件的刚度和稳定与fy无关。但是构件由强度控制转化为稳定或刚度控制常常不是一个明确的界限而是一个范围，同时构件在满足稳定和刚度要求时，也需对其强度或组合强度(例如，弯、剪、压共同作用)进行检查或校核。因此材料强度对构件的影响是存在的，只是不如轴心受拉构件那样简单明了而已。在如今Q345与Q235价格相差不多的情况下，使用强度高一些的钢对节余钢材会有明显的效果。
　　2、材料选用方面工程造价控制
　　材料选择不同，工程直接费不同，总造价不同。设计阶段合理选择建筑材料，控制材料单价或工程量，也是控制工程造价的有效途径。
　　（1）彩涂钢板：彩涂钢板一般用于轻钢厂房屋面板和墙面板，有不同板型、不同基板厚度和钢号、不同镀锌板类别和镀锌层厚度以及不同的彩涂层类别，在形式上又可选用单板、保温复合板、单板加内保温层等，其中保温层又有超细玻璃丝棉、硬质岩棉、聚苯乙烯等类别及厚度的不同，这些不同都造成单方材料价格的差异，从而影响厂房工程总造价。所以设计时要根据厂房性质、大气环境等因素综合考虑，合理选用板材，控制工程造价。
　　（2）多、高层住宅钢结构体系的墙体材料：墙体材料造价一般占土建工程造价的15%-25%。对于多、高层住宅钢结构体系来说，选用配套、经济、节能的墙体材料至关重要。
　　（3）多、高层钢结构建筑楼（屋）面的楼板设计确定楼板结构方案时，主要考虑要保证楼板有足够的平面整体刚度，能减轻结构的自重及减小结构层的高度，有利于现场安装方便及快速施工，还要有较好的防火、隔音性能，并便于管线的敷设。常用楼板做法有：压型钢板组合楼板、预制楼板、叠合楼板和普通现浇钢筋混凝土楼板等。目前最常用的做法为压型钢板组合楼板和普通现浇钢筋混凝土板。当采用这两种做法时，考虑现浇板与钢梁组合成为共同受力的组合梁，能有效降低钢梁高度，较多地节约钢材。在高层钢结构中，框架柱采用圆形钢管混凝土柱，梁、板采用钢-砼组合结构，总用钢量比普通钢结构用钢量有大幅度减小，能有效降低工程造价。
　　（4）钢材规格及材质：由于钢材品种的增多，结构设计时可选择的构件形式也多了。设计时要选用经济截面型材，比如热轧H型钢、T型钢等。对于焊接构件的成品翼缘板：焊接H型钢构件由翼缘板和腹板焊接构成，目前钢材生产企业推出了新品种——成品翼缘板，其规格常见有b=150mm、160mm、180mm、200mm，厚度δ=6～12m#p#副标题#e#m不等。与传统的有普通钢板切割、焊接、抛边构成的H型钢构件相比，材料价格比普通钢板高500～600元/t，而采用成品翼缘板材料损耗率低（普通钢板定额材料损耗率6%）；焊接构件的腹板也应结合板材规格进行设计不但省工，还能降低材料的损耗。在某些情况下，采用热轧H型钢柱、梁可能比采用焊接H型钢用钢量稍多，但从加工成本、施工进度等方面综合考虑，其造价可能更有优势。
　　总之，设计阶段技术创新、选材配套、设计优化是控制造价、促进建筑钢结构走向产业化的关键阶段。因此我们应该提高设计人员的素质，重视设计人员的继续教育和业务知识的更新培训。同时，要强调技术与经济相结合，设计中注重价值工程的运用，要做多方案比较，把控制工程造价放到重要位置。在设计中引进竞争机制，开展设计招标，方案优化竞赛。以技术先进、安全适用、经济合理、节约投资为目的。