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） 【摘要】 以西南地区的某异型钢结构建筑为对象，以业主的关注点为研究内容，运用项目管理的理念 和方法，组织项目团队对此建筑设计方案进行了技术研究和经济分析，并结合工程实际，组织技术团队对主 体结构进行了系统优化，最终取得了良好的工程效果。 【关键词】 钢结构；优化设计； 悬挑； 大跨度；斜撑 【中图分类号】ＴＵ２０１ 【文献标识码】Ｂ 随着城市集约化用地要求的不断提高，建筑向高发展的 间，需进行结构转换； 趋势越来明显，西方发达国家在把建筑向高发展的过程中， （３）主楼左侧在１—４层有最大１３．３ Ｉｎ跨度的逐层外伸 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 的悬挑，５层以上有最大为２５．７ ＩＴＩ的悬挑； 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 （４）主楼５层以上的办公区域层高为３．５ ｍ，业主要求， 了不少亮色。我国自改革开放以来，也大力借鉴了这些西方 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 高层钢结构建筑的成功技术，一大批造型新颖、美观实用的 分最矮处的净高不小于２．４ ｍ。 高层钢结构建筑在东部发达地区鳞次栉比，随着产业西行， 此建筑显著特点是高层、大跨度、悬挑，无论是对设计单 高层和异型钢结构建筑也开始在西部地区落地生根。 位还是施工单位都具有很大挑战。 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 ２设计方案的优化管理 得了良好效果。 ２．１设计方案分析 １工程概况及特点 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 此建筑是集观光旅游、休闲娱乐、餐饮购物、文化艺术、 层净高、建筑用钢量等方面不能满足业主要求，该设计方案 商务办公为一体的综合体的钢结构建筑，面积为２２×１０ 特点有： ｍ ，共有Ａ、Ｂ、Ｃ三栋。本文仅以Ａ栋建筑为研究对象。该 （１）主楼上部结构体系为钢架＋斜撑＋普通钢梁。 建筑由４层裙房和１３层主楼组成，裙房位于主楼两侧，裙房 （２）楼屋盖体系采用的是普通钢梁＋混凝土板。 和主楼之间设置结构缝，两侧的裙房为钢筋混凝土框架结 （３）在 方向布置了１１道柱间支撑，Ｙ方向布置了６道 构，中间主楼的地上部分拟采用钢框架结构，如图１所示。 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３．５ ｍ，扣除梁高、设备高 度、建筑面层及抹灰后，净高约为２．３ ｍ，不能满足业主对建 筑物净高不小于２．４ ｍ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。 图１ 主楼的结构框架示意 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 此建筑在结构设计上有以下几个特点和设计难点。 行需求不能设柱，致使此处形成了一个高９ ｍ、跨度１８ ｍ的 （１）整栋建筑主楼体形复杂，平面及立面均不规则。主 大空间。为了支撑这个大跨度空间部位２层至７层屋面的 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 竖向荷载，在设计优化中利用了４层室外平台的开敞空间， 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 在４层和５层之间设置了人字型的转换斜撑。该转换斜撑 形条带； （２）主楼中间的入口通道部位有两处１８ ｍ跨度的大空 ［定稿日期］２０１１—０９—１５ 四川建筑第３１卷５期２０１ １．１０ １０７ ０ ≤麟褥瑶点交赌濑羲姆０； 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Ｉ夭Ｊ人流通行不能设柱，形成了 一个高２６．５ ＩＴＩ、跨度１８ ｍ的大空 问。 于其上层楼高为３．５ ｍ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 １．５ ｍ高的转换桁架来承担５～８ 层的结构与荷载。 ２．２．２悬挑结构设计优化 此建筑主楼左侧，在４层以下 图２斜撑转换模型 图４ ５层以上悬挑结构转换桁架模型 均有逐层外伸的悬挑，而且跨度比 较大，最大悬挑跨度为 １３．３ ｍ，为了解决这种 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 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～ ５．２ ｍ的距离上布置４ 根梁上柱以减小悬挑跨 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问周围，而且，尽量减少悬 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｝｛Ｊ现悬挑使楼层 变形集中易出现破坏的 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 楼层 １ 因素。其结构模型如图 图３ ４层以下悬挑结构支承模型 ３所示。 在４层以下具有１３．３ ｍ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， 原设计斜撑数量（根） ２４ 本设计斜撑数量（根） ２（均在楼梯问） 但若在５层以上具有２６．７ ｍ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 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 ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ２６ ３４ ４０ ２６ ３２ ３２ ３０ ２８ ６（其中４个在楼梯问） ６（其中４个在楼梯问） １６（其中ｌＯ个在楼梯间） ２４（其中６个在楼梯间） ２６（其中４个在楼梯间） ２６（其中４个在楼梯问） ０ Ｏ 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。 １０ １１ １２ １３ ２３ ２２ ２ ２ Ｏ Ｏ Ｏ ２ 合计 ３２ｌ １０８（其中３４个在楼梯间） 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 ｌ０８ （下转第１１２页） 四ＪＩｌ建筑第３１卷５期２０１１．１０ ｊ羹莹筑论坛蝴豫诗 洁具、冲洗阀；公共卫生间的洗手盆配置感应龙头；各类ｉｆＪ水 龙头均采用充气式节水龙头；小便斗采用光电感应式控制 阀，座便器均采用３／６ Ｌ两档节水型座便器；淋浴花洒均采 降低加压水泵的提升高程和后续运行费用等。清水池按照 雨水利用系统最高日设计用水量的２５％一３５％设计。设备 按每天１０小时运行设计，处理水量为最高日雨水用水量。 非传统水源的处理和回用系统分区与给水系统相同。 在山符雨水塘堤坝下游附近（标高约为６９８ ｍ）设一套处理 用节水型花洒。所有器具应达标《节水型生活用水器具》 （ＣＪ １６４）及《节水型产品技术条件与管理通则》ＧＢ １８８７０的 要求。 设备，供周边１５个圈舍及管理用房，公厕等非传统水源用 水。处理能力为３ ｍ ／ｈ，清水池为８ ｍ 。在东部建筑区景 防止管网漏损也是提高节水效率的重要途径，目前城市 给水管网漏损率一般都高于１０％，造成了严重的水资源浪 费。根据“评价标准”，选用适当采取有效措施避免管网漏 损。设计中室外给水管采用球墨铸铁给水管，采用柔性接 口。做好管道基础处理和覆土，并控制管道埋深。选用性能 高的阀门、零泄漏阀门等措施避免管道渗漏。另外结合水量 的分项计量，在室外管道始、终侧分别设置水表，以便于发现 观水体旁（与消防水泵房合建）设一套处理设备，供各建筑及 绿化浇洒非传统水源用水，处理能力为９ ｍ ／ｈ，清水池为３４ ｉｎ 。处理后分别采用高区和低区变频装置供至各建筑用水 点，场地浇洒及绿化采用专用变频给水泵。 ５其他节水措施 ５．１雨水渗透利用系统 本工程对雨水除了直接回收利用外，还设置了雨水间接 利用，即雨水渗透利用系统。把雨水转化为土壤水，补充地 下蓄水层。 管道渗漏问题，避免因管道锈蚀阀门的质量问题导致大量的 水跑冒滴漏。 ６结束语 本工程采用收集处理后的雨水作为非传统水源，用于绿 设计利用原有植被、冲沟等生态化措施作为雨水径流的 通道，减少对场地自然植被的破坏，既明显减少雨水管道系 统投资和费用，同时能带来较好的生态和环境效益。同时园 化浇洒，道路和广场冲洗，卫生间冲厕，熊猫兽舍地面冲洗等 用途。非传统水源利用率为６０．３％。 设计了雨水渗透利用系统和喷灌绿化系统。选用节水 器具和优质阀门管材等措施，均达到或超过了绿色建筑评价 区汽车道、步行道、停车场等均采用透水混凝土，从而增加雨 水渗透量。 ５．２绿化喷灌系统 标准对节水设计的要求。不仅总体经济效益较好，而且有一 定的环境效益。其设计经验可供同行参考。 参考文献 ［１］ＧＢ／Ｔ ５０３７８—２００６绿色建筑评价标准［Ｓ］ 根据“评价标准”第５．３．８，“绿化灌溉采用喷灌、微灌等 高效节水灌溉方式”。绿化浇洒除水源为非传统水源外，还 采用了喷灌系统。采用半自动化灌溉系统，灌水时间、灌水 量和灌溉周期等根据预先编制的程序或采用手动控制，同时 加强绿化灌溉的节水管理。 ５．３用水器具与管材选择 ［２］ＧＢ ５００５—２００３建筑给水排水设计规范［ｓ］ ［３］ ＧＢ ５０４００—２００６建筑与小区雨水利用工程技术规范［ｓ］ ［４］ＧＢ／Ｔ ５００８５—２００７喷灌工程技术规范［ｓ］ “评价标准”的“控制项”规定“建筑内卫生器具合理选 用节水器具”。设计选用《当前国家鼓励发展的节水设备》 （产品）目录中公布的设备、器材和器具。采用节水型的卫生 ｛！；． 不 ． 乖 不 乖 不 乔 钸 乖 乖 出 尔 不 不 乖 尜 尔 乖 尔 （上接第１０８页） 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１５０ ｍｍ，满足了业主的要求，打造出了优质典型的 钢结构建筑之作。 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 ｌ１２ 四川建筑第３１卷５期２０１ １．１０
