高标准厂房柱跨经济性研究

谢志成

（广东省重工建筑设计院有限公司，广东广州 510670）

1 高标准厂房的结构形式

1.1 高标准厂房的结构选型

《广东省高标准厂房设计规范》[1]第5.1.2 条规定高标准厂房的层数不应低于4 层，第5.1.3 条规定层高除满足行业要求外，首层层高不应小于6m，二、三层层高不应小于4.5m，四层及以上不应小于4m。因此可推断出高标准厂房的建筑高度应至少在19m 以上。

《广东省高标准厂房设计规范》第5.1.4 条规定建筑高度除需符合当地规划限高要求外，高度一般不宜大于70m 且不应大于100m，第5.4.7 条规定建筑高度大于32m 时，每个防火分区宜设置1 台消防电梯，第4.2.2 条规定高标准厂房厂区容积率不宜低于2.0。因此，高标准厂房的最大建筑高度应在100m 以下，同时考虑消防电梯成本以及容积率的要求，高度在32m 以下较为经济。

国内大多数地区的抗震设防烈度均在Ⅷ度及以下。《抗规》[2]6.1.1 条规定抗震设防烈度Ⅷ度及以下地区，35m 以下的现浇钢筋混凝土结构均可以采用框架结构形式。框架结构的隔墙布置较为灵活，空间使用性相比其他结构形式将会更优。

综合考虑建筑、结构以及成本优势，高标准厂房建筑高度一般处在19～32m 的范围内，结构形式一般采用现浇钢筋混凝土框架结构形式。因此，本文研究对比的对象选取的结构形式也是现浇钢筋混凝土框架结构形式。

1.2 高标准厂房结构梁布置形式

《广东省高标准厂房设计规范》第5.2.2 条规定高标准厂房主要进深需大于等于16m，柱距需大于等于8m，其柱距一般取8～12m；第6.1.3 条规定，高标准厂房生产厂房，楼面、地面活荷载的标准值不宜小于：首层12kN/m2，2～3 层 8kN/m2，4 层及以上 6.5kN/m2；第 6.1.3条规定高标准厂房的屋面设备重量和位置未确定时，活荷载标准值不宜小于7kN/m2；第6.2.3 条规定楼盖可选用梁板式结构，不宜采用无梁楼盖结构。因此，高标准厂房一般采用梁板式结构，考虑到荷载较大，仅布置主梁的大板结构形式板厚太厚，不够经济，采用增加次梁的梁板结构形式更为经济合理。

次梁的布置分为单向板式的次梁布置以及双向板式的井字形梁、艹字形梁的布置形式。邹利明[3]通过研究分析认为双向板在空间上有更好的刚度，有更大的结构自振频率，对于有微振动设备使用需求的高标准厂房宜采用双向板的结构形式。周艳[4]通过研究分析多种荷载、跨度下不同楼盖形式的楼盖经济性，得出单向板楼盖的经济性优于双向板井式楼盖。由于通用型的高标准厂房在市场上占比较多，设备的微振动可以在有需要时通过设备的减振支座和建筑减振浮筑来考虑其影响，因此，单向板式的次梁布置方案因其经济性更佳，成为在实际项目中常用的次梁布置方式。本文研究对比的对象选取的结构梁布置形式也为单向板式的次梁布置方案。

2 柱跨大小对高标准厂房材料用量的影响

2.1 研究对象的选取

为研究柱跨对高标准厂房结构经济性的影响，本文选取一实际工程项目，在保持平面外轮廓体型尺寸不变的情况下，分别按照柱跨为8.5m、9.5m、10.5m、11.5m 和12.5m 进行计算对比结构的钢筋和混凝土用量。项目总体情况概述如下。

某广东地区高标准厂房项目，现浇混凝土框架结构，次梁采用单向板式的次梁布置方式。建筑共5 层，室内外高差1.5m，首层层高7.9m，二层层高6m，3～4 层层高5.5m，五层层高5.0m，房屋高度为31.4m。抗震设防类别丙类，抗震设防烈度Ⅶ度（0.1g），场地土类别Ⅱ类，设计地震分组第一组，框架抗震等级为二级。基本风压为0.5kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。荷载及其他参数设置按照《广东省高标准厂房设计规范》和国《高规》[5]执行。采用PKPM 结构软件进行建模分析计算，模型结构平面X 向和Y 向总尺寸不变、结构布置不变，仅根据X 向柱矩变化优化柱尺寸、梁尺寸及跨数。分别按照柱距 8.5m，9.5m，10.5m，11.5m 和 12.5m 建立五个计算模型，对模型进行结构分析计算并统计钢筋与混凝土用量。10.5m 柱跨和12.5m 柱跨的结构平面布置图分别如图1、图2 所示，其余柱跨平面布置图类似，不再赘述。

2.2 计算结果

经计算分析和结构优化后，现将五个计算模型的计算结果统计如下，如表1 所示。

2.3 结果分析

2.3.1 控制变量分析

为研究仅柱跨变化对经济性的影响，需要控制其他变量，排除其他变化的影响。以表1 中的8.5m 柱跨的数据作为基准对数据进行再次加工处理得出数据偏差如表2 所示。

表2 数据偏差

表2 数据表明如下。

（1）五个模型的质量相差在1%以内，周期相差在3%以内，X 向和Y 向的地震基底剪力相差均在1.5%以内，差异均在可接受误差范围内，可认为五个模型的质量、周期、基底剪力基本一致。依据反应谱中周期与地震作用的关系，可认为五个模型承受的地震作用基本一致，排除了地震作用大小差异对钢筋量和混凝土量的影响。

（2）五个模型在风荷载作用下，X 向和Y 向的基底剪力基本相同，可基本认为五个模型的承受的风荷载作用大小完全相同，排除了风荷载作用大小差异对钢筋量和混凝土量的影响。

（3）五个模型在地震作用和风荷载作用下，X 向和Y 向的最大层间位移角相差均在3.5%以内，差异均在可接受误差范围内，可认为五个模型的整体刚度情况基本一致。五个模型的总混凝土用量相差在2%以内，可以认为五个模型的混凝土用量基本一致。因此，排除了五个模型优化程度不一致的人为差异对钢筋量的影响。

综上，在承受的作用相同、结构优化情况一致的情况下，可以认为钢筋量的变化完全是由柱跨大小的区别决定的。

2.3.2 结果及原因分析

为直观展示不同柱跨对钢筋量的影响变化趋势，以表1 中的8.5m 柱跨的数据作为比较基准对数据进行加工处理后，得出钢筋量变化曲线如图3 所示。

从图3 中可明显看出随着柱跨的增加，钢筋含量总体呈现上升的趋势，但是趋势变化快慢不一致，在9.5～10.5m 区间变化缓慢，在 11.5～12.5m 区间变化明显加快。现将产生此结果的原因分析如下。

（1）板的钢筋量随着跨度的增加显著增多，在9.5～10.5m 区间变化缓慢，在10.5～12.5m 区间变化明显快于8.5～9.5m 的区间。主要是因为板主要承受的为竖向荷载，在竖向荷载作用下，板受力大小与跨度的平方成正比，同时由于配筋大小还要受到最小配筋率的限制。因此，在跨度为8.5～9.5m 时，多数板的配筋为构造配筋；跨度为9.5～10.5m 时，逐渐有少部分板配筋发展为计算配筋；超过10.5m 跨后，各板配筋基本均为计算配筋，因此配筋量增速加快。

（2）梁的配筋量随着跨度的增加而增加，在9.5～10.5m 区间基本无变化，在11.5～12.5m 区间增速明显加快。查看具体构件的分析计算书，梁的配筋控制工况为恒活+风工况，梁的配筋变化规律受到竖向荷载和风荷载占比的变化影响。在竖向荷载作用下，梁受力大小与跨度的平方成正比，在风荷载作用下，梁受力基本一致。在跨度较小时，风荷载作用下产生的弯矩占比较高，跨度较大时，竖向荷载占比较高，梁受力增加明显，钢筋量增速加快。

（3）柱的配筋量在8.5～9.5m 跨度时最大，在10.5～11.5m 跨度是有所减小，在超过跨度超过11.5m 后又开始增加。跨度较小时，柱子数量较多，柱配筋总量相对较多；随着跨度的增加，柱子数量逐渐减少，柱配筋总量相对较少，但跨度较大时，柱受力增大，柱截面和配筋也随之增加，柱配筋总量也相应增加。

3 结语

本 文 通 过 对 比 分 析 8.5m、9.5m、10.5m、11.5m、12.5m 五个跨度的现浇钢筋混凝土框架结构高标准厂房模型计算结果，研究了柱跨大小对高标准厂房的经济性的影响。通过控制五个模型的平面尺寸、结构体型、结构周期、基底剪力、最大层间位移角和总混凝土用量，排除了作用大小、结构优化情况等对结构经济性的影响。根据分析结果可知，随着柱跨的增大，结构钢筋量增多，在9.5～10.5m 左右的柱跨范围内，钢筋量增速较慢，当超过11.5m 跨时，钢筋量增速明显加快。上述结论可为工程设计人员和业主方在进行高标准厂房柱跨选择时作为参考，当需要极致节约成本时可选择较小的柱跨，当需要兼顾大空间的易用性及一定的成本控制时，选择10.5m 左右的柱跨最具性价比。