工业建筑结构优化设计探析

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针对某工业厂房实际情况，在介绍其具体的结构选型基础上，按照建设单位提出的尽可能减少结构用钢量的要求，对厂房结构的首次和二次优化设计进行深入分析，提出相应的措施，最后经实践得出本次优化设计能在保证结构稳定性的基础上减少用钢量的结论，所用优化设计措施合理可行，值得类似项目参考借鉴，提高工业建筑结构设计和优化水平，适应工业生产及发展提出的要求。近几年，建设方对工业厂房建筑设计提出的要求不断提高，尤其是经济性方面的要求。为更好的适应市场基本要求，对设计人员而言，需要在设计优化与精细化方面作出足够的努力。但不同工业厂房存在很大的差别，在实际工作中需要根据工程实际情况，采取适宜的优化设计方法，以此保证优化设计的针对性与有效性。

一、项目概况

某公司设计建造一座新车间，其总建筑面积约2万m2，共5跨，每跨高度不等，采用钢结构排架形式，长×宽=156m×126m，第一到第五跨的跨度分别为24m、24m、30m、24m和24m，高、低跨檐口高度分别为32m和17.6m，结构柱之间的距离为12m。该厂房中所有吊车的工作级别相同，均为A5，厂房布置情况如下：（1）第一跨：吊车吨位为50/10t，吊车台数为2台，轨距为22.5m，轨高为12m。（2）第二跨：吊车吨位为16/3.2t和20/5t，吊车台数各1台，轨距为22.5m，轨高为12m。（3）第三跨：上层：吊车吨位为75/20t，吊车台数为1台，轨距为28.5m，轨高为22.5m；下层：吊车吨位为50/10t和32/5t，各1台，轨距为27m，轨高为16m。（4）第四跨：吊车吨位为16/3.2t和10t，吊车台数各1台，轨距为22.5m，轨高为12m。（5）第五跨：吊车吨位为50/10t和30/5t，吊车台数各1台，轨距为22.5m，轨高为16m。厂房设计中将基本风压确定为0.35kN/m2，将基本雪压确定为0.40kN/m2，按6度设防，地震加速度确定为0.05g，II类场地，特征周期为0.35s。现以工业厂房为例，对其建筑结构优化设计做如下深入分析。

二、结构选型

该厂房结构类型为钢结构排架，下柱采用双肢格构柱，其截面尺寸为：边柱：（1200×500）mm；中柱：（1500×500）mm。上柱采用H型钢，其截面尺寸为（600×300）mm，材质以Q235B钢为主，柱脚形式为杯口插入。厂房屋面为梯形钢屋架。厂房两端跨分别布置柱间支撑，在中部按照48m的间隔距离布置柱间支撑，所有柱间支撑均为槽钢。将冷弯薄壁型钢作为屋面檩条，按连续檩条设计，墙梁同样选择冷弯薄壁型钢，但类型与屋面檩条不同，屋面檩条为Z型，而墙梁为C型。除了吊车梁采用Q345B钢，其余都采用Q235B钢。该厂房的用钢量可以达到140kg/m2。建设方对该厂房投资进行了严格控制，对用钢量有着很高的要求。基于此，在做好初步方案设计的同时，也需要对结构予以必要的优化。

三、优化设计

1.首次优化

（1）对于排架柱，其初步设计方案对应的用钢量在880t左右，受风载作用后，高跨柱顶部位移约H/437，应力比可以达到0.93。在优化设计过程中，将下柱肢距从最初的1500mm增加到1800mm，并将钢材从最初的Q235钢更换成Q345钢，此时，受风载作用后的顶部位移将变为H/409，应力比将减小至0.74。可见，此次优化是从位移控制入手的，在提高所用钢材的强度以后，应力水平并不很高。经过此次优化，用钢量将减少到770t，共减少了110t左右。（2）对于吊车梁，其初步设计方案对应的用钢量在549t左右，由于属于初步设计，所以套用了标准图集。如今，对吊车梁截面进行优化，采用非标准形式，同时根据实际情况进行考虑。经此次优化后，用钢量将减少到504t，共减少了45t。（3）对于吊车梁轨道，其初步设计方案对应的用钢量在140t左右，由于需要增加平板车，所以用钢量有所增加，增加到152t，共增加了12t。（4）对于轨道连接件，其初步设计方案对应的用钢量在30t左右，目前为33t左右，共增加了3t。（5）对于T型钢屋架，其初步设计方案对应的用钢量在270t左右，为提高其应力水平，从之前的0.90增加到0.95，此时用钢量将减少到240t，共减少了30t。（6）对于屋面支撑，其初步设计方案对应的用钢量在180t左右，由于设计中将杆件实际长细比调整为接近于规范提出的极限，所以经优化后的用钢量将减少到160t，共减少了20t。（7）对于屋面檩条与拉条，其初步设计方案对应用钢量在180t左右，此次优化并未作出太大改动，但由于之前没有对通风器支座予以考虑，现需增设通风器支座，其吨位为38t左右，所以当前用钢量增加到218t。（8）对于墙面檩条与拉条，其初步设计方案对应的用钢量在170t左右，在优化设计过程中，风荷载高度系数进行分段取值，经此次优化，用钢量减少到140t，共减少了30t。（9）对于雨披梁结构，在优化设计中于纵墙两侧进行雨披的加装，而且增加了雨篷悬挑长度，这样一来会使雨披梁实际用钢量从8t增加至11t，增加了3t。与此同时，对于雨披檩条与拉条，其用钢量将从之前的31.5t增加至60t，共增加了28.5t。（10）对于平台，其初步设计方案对应的用钢量为54t左右，在原计算过程中，多采用挠度控制的方式，在此次优化设计过程中充分考虑了平台梁的适当起拱，基于此，用钢量将减少至45t，共减少了9t。综合考虑上述因素，总用钢量将从2797.5t减少至2638t，共减少了159.5t，从单位面积用钢量考虑，经此次优化，将从140.1kg/m2减少至132.1kg/m2。

2.二次优化

在二次优化过程中，提出了局部在设备安装中涉及的用钢量，包括通风器支座与吊车轨道。（1）对于排架柱，在本次优化过程中将下柱肢距从1800mm进一步增加至2000mm，这样是为了对结构刚度进行改善，进一步提高结构整体应力水平。经此次优化之后，受风载作用后，高跨柱顶部实际位移将变为H/407，应力比在0.90，用钢量在600t左右。然而，将柱肢距增加至2000mm以后，虽然在基础方面会增加一些成本，但是厂房内使用面积也有一定的减少。（2）对于吊车梁，在此次优化过程中将应力比从0.90增加至0.95-1.00，实现满应力设计。完成优化后，实际用钢量将变为460t。（3）对于屋面支撑，从角钢形式更改成方钢管，完成此次优化设计之后，用钢量将进一步减少至135t。（4）对于屋面檩条和拉条，在本次优化设计过程中改用桁架式檩条，同时将构件的应力水平提高至0.95-1.00。经本次优化设计，用钢量将进一步减少至100t。（5）对于雨披檩条，在本次优化设计过程中采用桁架式檩条，经本次优化设计，用钢量将变为40t。（6）对于平台部分，此次没有进行优化，然而，由于平台作为辅房使用，可不采用钢结构，采用其他结构进行辅房的搭建。因此，这一部分用钢量可不计入实际的用钢量统计。综合考虑上述几点，可将整个厂房的单位面积用钢量进一步减少到101.2kg/m2。

3.优化设计总结

在实际的优化设计过程中，为减少用钢量，在若干方面均采取了有效措施，比如，在切实满足规范要求的基础上，对柱、屋面构件都按照满应力形式进行设计；对绝大多数支撑构件，其长细比都采用规范提出的极限；对于国家标准图集提出的构件，在优化设计中进行适当修改，使断面减小并减薄，确保应力与刚度指标都能达到规范提出的极限；另外，对于柱的断面尺寸，和常规情况相比也有一定的变化。在结构设计达到精细化以后，能有效减少用钢量，并降低造价。通过对上述措施的应用，可能对未来厂房设计修改及施工过程中的工艺布置带来一定约束作用。

四、结语

综上所述，为切实满足建设单位提出的要求，该厂房项目进行了结构优化设计，经分析，以上优化设计是合理可行的，满足建设单位提出的减少结构用钢量的要求，所用优化设计措施值得类似项目参考借鉴，不断积累相关成功经验，为我国工业厂房建筑设计及优化积累宝贵的经验，适应工业生产及发展提出的要求。

作者:周忠鸣 单位:信息产业电子第十一设计研究院 科技工程股份有限公司