高层钢结构建筑优化设计管理

赵 钟，陶曙文

(1．五冶集团工程技术分公司，四川成都610066;2．西部矿业股份有限公司，青海西宁810001)

随着城市集约化用地要求的不断提高，建筑向高发展的趋势越来明显，西方发达国家在把建筑向高发展的过程中，运用钢结构技术建筑了很多经典的作品，这些建筑不仅充分满足了城市建设集约化使用的空间要求，同时也给城市增添了不少亮色。我国自改革开放以来，也大力借鉴了这些西方高层钢结构建筑的成功技术，一大批造型新颖、美观实用的高层钢结构建筑在东部发达地区鳞次栉比，随着产业西行，高层和异型钢结构建筑也开始在西部地区落地生根。

本文以西南地区某钢结构建筑工程为例，通过运用良好项目管理模式，对结构进行优化设计，进而使该工程项目取得了良好效果。

1 工程概况及特点

此建筑是集观光旅游、休闲娱乐、餐饮购物、文化艺术、商务办公为一体的综合体的钢结构建筑，面积为22×104m2，共有A、B、C三栋。本文仅以A栋建筑为研究对象。该建筑由4层裙房和13层主楼组成，裙房位于主楼两侧，裙房和主楼之间设置结构缝，两侧的裙房为钢筋混凝土框架结构，中间主楼的地上部分拟采用钢框架结构，如图1所示。

图1 主楼的结构框架示意

此建筑在结构设计上有以下几个特点和设计难点。

(1)整栋建筑主楼体形复杂，平面及立面均不规则。主楼右侧底层有大片2层楼高的穿层柱，右侧5层以上根据建筑造型要求要设计成由两条单榀框架组成的细长阶梯状弧形条带;

(2)主楼中间的入口通道部位有两处18m跨度的大空间，需进行结构转换;

(3)主楼左侧在1～4层有最大13.3m跨度的逐层外伸的悬挑，5层以上有最大为25.7m的悬挑;

(4)主楼5层以上的办公区域层高为3.5m，业主要求，在满足建筑物使用功能前提下，其结构设计须满足长悬挑部分最矮处的净高不小于2.4m。

此建筑显著特点是高层、大跨度、悬挑，无论是对设计单位还是施工单位都具有很大挑战。

2 设计方案的优化管理

2.1 设计方案分析

该建筑的结构，承建方原委托一家建筑设计院进行了设计，但经过业主的评价，该设计方案在建筑物的使用功能、楼层净高、建筑用钢量等方面不能满足业主要求，该设计方案特点有:

(1)主楼上部结构体系为钢架+斜撑+普通钢梁。

(2)楼屋盖体系采用的是普通钢梁+混凝土板。

(3)在X方向布置了11道柱间支撑，Y方向布置了6道柱间支撑，5～11层的大悬挑位置层层设置了斜撑，斜撑较多，影响建筑物的使用功能。

(4)5楼以上办公区域层高为3.5m，扣除梁高、设备高度、建筑面层及抹灰后，净高约为2.3m，不能满足业主对建筑物净高不小于2.4m的要求。

2.2 设计方案的优化

针对原结构设计存在的问题，通过组合技术团队实施良好的工程项目管理，在建筑的结构体系布置、使用功能、外观审美等方面进行了优化设计，使得各方面都能满足业主指标要求。

2.2.1 建筑转换结构设计

在主楼中间通道部位，因2层以下的建筑要满足人流通行需求不能设柱，致使此处形成了一个高9m、跨度18m的大空间。为了支撑这个大跨度空间部位2层至7层屋面的竖向荷载，在设计优化中利用了4层室外平台的开敞空间，在4层和5层之间设置了人字型的转换斜撑。该转换斜撑采用的是钢管混凝土构件，既可悬吊2至4层，又可支承5至7层的结构与荷载，此转换结构的模型如图2所示。

另外，在主楼中间入口部位，同样因人流通行不能设柱，形成了一个高26.5m、跨度18m的大空间。由于其上层楼高为3.5m较低，为了保证有足够的建筑净高，优化设计中在5层楼面下采用了1.5m高的转换桁架来承担5～8层的结构与荷载。

图2 斜撑转换模型

图3 4层以下悬挑结构支承模型

图4 5层以上悬挑结构转换桁架模型

2.2.2 悬挑结构设计优化

此建筑主楼左侧，在4层以下均有逐层外伸的悬挑，而且跨度比较大，最大悬挑跨度为13.3m，为了解决这种大悬挑结构带来的竖向承载力突变较大影响建筑的安全性能的问题，通过对结构方案的优化和对比分析，最终选择在距悬挑根部2.8～5.2m的距离上布置4根梁上柱以减小悬挑跨度，然后利用在悬挑端部设置斜撑来传递竖向荷载，从而消除了因结构竖向出现悬挑使楼层变形集中易出现破坏的因素。其结构模型如图3所示。

在4层以下具有13.3m悬挑跨度的结构上，通过在悬挑根部布置梁上柱及斜撑可减小悬挑跨度及传递竖向荷载，但若在5层以上具有26.7m悬挑跨度的结构上采用类似处理模式，将要设置很多梁上柱和斜撑，进而增加施工难度和工程造价。因此，为了提高悬挑结构的效率、减少设置的斜撑数量和对建筑使用功能的影响、并组建多条传力路线，在这个理念的基础上，参考国内外一些大型建筑转换层和体育、工业建筑大悬挑的做法，设计中采用了在5～7层之间设置2层楼高的转换桁架来承担其上5～11层的竖向荷载。采用的转换桁架分成了3跨，其中，端跨通过在桁架端部设置斜撑来支撑其上楼层的荷载，中间跨通过在桁架上设置2排(8根)立柱来支撑其上楼层的荷载。而且，为了保证构件的内力能够得到有效传递，在设计上还将转换桁架向主体结构内延伸了一跨，并且延伸跨的斜撑继续向其下楼层布置。

通过软件模拟，此建筑悬臂转换桁架的结构模型如图4所示。

本设计中采用这种桁架式转换层，一方面可以满足建筑物功能上的需要，另外，采用转换桁架可以较好地解决通风采光的问题。而且桁架式转换结构传力、传力路径明确，这种结构使施工中的开洞和管道设置比较方便，且桁架转换层的间隙可以采用轻质建筑材料填充，有利于减轻钢结构的自重，抗震性能也较好。

2.2.3 斜撑设计优化

斜撑在建筑中具有稳固主体结构的作用，本工程设计原方案中采用了较多的斜撑，数量达到321根，这种设计方案存在工程量大，施工成本高的问题。通过对结构进行模拟分析，对主楼的斜撑系统进行了优化，优化结果是将提供抗侧力作用的斜撑尽可能布置在楼梯间周围，而且，尽量减少悬挑部位用于传递竖向作用力的斜撑数量，这种优化不仅减少了斜撑对建筑使用功能的影响，同时也降低了斜撑施工的工程量。通过优化后和原有的设计方案进行比较斜撑数量减少了213根，有效降低了工程量和满足了建筑物使用功能的需求。方案比较如表1所示。

表1 斜撑数量方案对比

3 结论

对建筑工程而言，设计的重要性不言而喻，而建筑结构的优化设计更是重中之重，同样的工程项目，由于结构设计的差别结果可能会截然不同。结构设计通过合理的概念设计，准确的构件布局，有艺术美感的截面形状设计，造价经济空间占据小的结点构造设计，以及良好的项目管理等几大步骤的相互衔接和糅合，可打造出完美工程。

本文中的钢结构建筑就在此理念的前提下，组合了良好的项目管理团队，对工程技术人员提出了更高的要求，通过研究工程特点，针对建筑结构的功用性，对各构件布局进行精确模拟计算，提出了合理有效的设计方案。最终使得该结构设计方案同比原设计方案，在技术经济性方面性能优，为工程节约了约1 000 t的用钢量，节约投资约1 000万元。同时，减少了大量结构斜撑，优化了建筑功能环境，比原方案，增加层高150mm，满足了业主的要求，打造出了优质典型的钢结构建筑之作。