某鋼結構廠房結構比選與造價分析

徐 云

(中交天津港灣工程設計院有限公司， 天津 300461)

0 引言

在建筑結構中，以鋼材制作為主要形式的結構是主要類型。鋼材具有較強的變形能力，較好的整體鋼性、自重輕、強度高，比較適用于超重、超高和大跨度建筑物的建造。鋼材的各向同性與材料的勻質性都比較好，是理想的彈性體，和一般工程力學基本假定最為符合。另外，鋼材具有較好的韌性和材料塑性，能實現比較大的變形，能較好承受住動力荷載。鋼材的建筑周期比較短，工業化程度比較高，能實現較高機械化的生產。

1 工程總概況

長江航道重慶科研實驗基地項目中河工模型大廳工程位于重慶市南岸茶園新區，總占地面積53348.09平方米。地塊近似呈“L”型，地勢高低起伏，高低落差近 39m。南北向最長 312.98m，東西向最長 258.2m，本著利用地形，節約造價的原則，將基地分成3個標高，其中：檢測實驗中心9044.88平方米（包含多種設備用房、變電所、發電機房）、河工模型大廳17567.74平方米、道路10925.93平方米、地下消防水池、圍墻、綠化以及室外配套水電等。項目概算編制依據是《重慶市建設工程計價定額》以及交通部《內河航運建設工程概算預算編制規定》2014年。重慶市建設工程計價定額綜合解釋（2008年版）、重慶市建筑工程計價定額（2008年版）、重慶市裝飾工程計價定額（2008年版）、重慶市安裝工程計價定額（2008年版）、重慶市市政工程計價定額（2008年版）。

2 河工模型大廳介紹

河工模型大廳為單層建筑，設有局部夾層[1]。本工程實驗內容主要為模擬河道實驗，生產火宅危險性分類為戊類，建筑物長 200.6米，寬 82.6米。建筑面積16569.56m2，建筑高度為19.25m，耐火等級為二級。整個建筑物為一個防火分區，設六個安全出口，相臨安全出口最近邊緣水平距離大于5m，滿足《建筑設計防火規范》第3.7.1條。每個觀測室的建筑面積不大于400m2，且同一時間的作業人數不超過30人，滿足《建筑設計防火規范》第3.7.2條的規定。廠房外門凈寬不小于1.2m，疏散樓梯、走道和門的凈寬滿足《建筑設計防火規范》第3.7.5條最小凈寬度的規定。疏散距離滿足《建筑設計防火規范》第 3.7.4條之的規定[2]。通過以下幾個方面開展比選分析：

2.1 屋蓋結構選型

目前，對于本項目屋蓋結構選型可采用的結構形式有管桁架結構、張拉索桁架（梁）結構、網架結構等。

在大跨度結構內，網架結構是常用結構類型，由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連結而成的空間結構。其優點主要是：空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能及整體性好等?？捎米黧w育館、影劇院、展覽廳、候車廳、體育場看臺雨篷、飛機庫、雙向大柱距車間等建筑的屋蓋。其缺點是：匯交于節點上的桿件數量較多，節點的耗鋼量較大，制作安裝較平面結構復雜，施工費用高[3]。本工程跨度為 80m，結構受力特點是沿跨度方向受力較大，沿建筑長度方向受力較小，這使得沿建筑長度方向桿件的材料利用不夠充分，且多層網架中部增加了弦桿層，結構的節點和桿件數量增多，中間層的節點所連接桿件多，構造較復雜，對于80m跨度的屋蓋來說，其經濟指標不太理想，且其桿件數量眾多，施工周期長，室內的視覺效果差。本次不予采用。

對上部結構形式重點選取無預應力空間管桁架結構、張拉索桁架（梁）結構以及拱形管桁架結構進行方案對比：

方案1：體內張拉預應力鋼絞線桁架結構

張弦桁架結構是一種由剛性上弦桿件、柔性拉索、中間連以剛性撐桿形成的混合結構體系，也是一種用撐桿連接抗彎受壓構件和抗拉構件形成的自平衡體系。柔性索與剛桁架的有效結合使得結構各部分充分發揮了各自的優點，各構件中的內力分布均勻合理，傳遞給下部結構的推力最小，最終顯著提高了結構的承載力、穩定性和剛度，并節省了材料的用量。

本工程結構跨度為80m，結構斷面方案與方案2相同，僅在下弦桿內增加設置預應力鋼索。

經過初步計算，主桁架上弦桿采用Φ426x12，中弦桿采用Φ325x16，下弦桿采用Φ480x16，下弦桿內設置拉索，拉索采用37根無粘結預應力鋼絞線，規格為15.2。主結構用鋼量約為71kg/m2。桁架的結構高度約為6.0m。

方案2：無預應力空間管桁架結構

相比網架結構，管桁架結構省去下弦縱向桿件和網架的球節點，在構筑圓拱和任意曲線形狀方面比網架結構更有優勢，其各向穩定性相同，節省材料用量。相較于傳統的開口截面（H型鋼或I字鋼）鋼桁架，管桁架結構截面材料繞中和軸較均勻分布，使截面同時具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較大剛度，不用節點板，構造簡單，結構外形美觀，便于造型，有一定裝飾效果，結構整體性能好，扭轉剛度大，制作、安裝、翻身、起吊都比較容易。

本工程結構跨度為80m，柱間距按20m考慮。上弦做成拱形的三角形管桁架，下弦桿為水平桿。下弦水平桿的設置，有效減小了水平推力。

經過初步計算，主桁架上弦桿采用Φ426x12，中弦桿采用Φ325x12，下弦桿采用Φ530x16。主結構用鋼量約為81kg/m2。桁架的結構高度約為6.59m。

方案3：普通拱形管桁架結構

拱形管桁架結構是現代大跨度公建中普遍采用的結構類型，其特點是：建筑表現力好，結構形式美觀，桿件少，節點形式簡單流暢，結構的剛度好，抗壓和抗拉性能好。

本工程結構跨度為80m，柱距按20m進行設計，采用拱形空間管桁架結構。

經過初步計算，主桁架上弦桿采用Φ325x12，中弦桿采用Φ159x6，下弦桿采用Φ325x12。主結構用鋼量約為82kg/m2。管桁架的結構高度約為6.8m。

上述三種結構方案的主要計算結果對比如表一所示：

表1 屋蓋結構方案主要計算結果對比表截面尺寸及規格 支撐柱底反力，

2.2 屋蓋支撐結構比選

大跨屋蓋的下部支撐體系對于保證整個結構的安全可靠尤為關鍵，本次采用以下三種支撐柱進行比選：

方案1：鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱在結構上能夠將混凝土和型鋼的優點結合在一起，可使混凝土處于側向受壓狀態，其抗壓強度可成倍提高，同時由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發揮作用，從而大大的提高了承載能力。鋼管混凝土主要以軸心受壓和作用力偏心較小的受壓構件為主，被廣泛使用于框架結構中（如廠房和高層）。鋼管混凝土結構的優點主要有：施工方便，工期較鋼筋混凝土結構大大縮短；承載力高、延性好，抗震性能優越；有利于鋼管的抗火和防火；耐腐蝕性能優于鋼結構；缺點是相對于鋼筋混凝土結構造價較高梁柱節點處理較復雜。

方案2：鋼筋混凝土柱

作為一種最為常見的建筑材料，鋼筋混凝土的優點主要是體現在造價較低、施工簡易、整體性好、耐久性好、易于就地取材等。缺點是相對截面較大，施工周期較長。

方案3：鋼結構格構柱。

鋼結構格構柱的格構體系構件由肢件和綴材組成。格構柱的主要思路是：將材料面積向距離慣性軸遠的地方布置，能保證相同軸向抗力條件下增強構件抗彎性能，并且節省材料。格構柱屬于良好的壓彎構件，所用于廠房柱和懸臂柱。缺點是格構柱占地面積較大，抗火、防火、耐久性較差。

綜合以上優缺點，從建筑使用功能、結構受力方面考慮，建議采用方案1：鋼管混凝土柱方案。經初步計算，當屋蓋結構采用無預應下弦水平空間管桁架結構方案時，鋼支撐柱規格為Φ1200x20，鋼管內澆筑C40混凝土。

2.3 圍護結構

模型大廳屋面結構采用壓型鋼板輕型鋼屋面，設置縱橫向雙層檁條，主檁擬采用高頻焊接H型鋼，次檁擬采用熱浸鍍鋅冷彎薄壁Z型鋼檁條。

墻面結構，在支撐結構柱之間按照間距不大于7.0m設置抗風柱，抗風柱采用焊接H型鋼截面。墻面采用壓型鋼板輕型結構，檁條采用冷彎薄壁C型鋼。

2.4 建安費對比表

建筑安裝工程費用估算表工程名稱：長江航道重慶科研實驗基地項目-河工模型大廳鋼結構部分金額：萬元

?

如表，經對比分析，得出結果：

a. 從結構比選方面：方案一中有預應力鋼絞線，施工工藝要求較高，且存在后期監測及維護；方案三存在較大水平推力及柱底彎矩，對地基基礎及支撐立柱的要求均較高；

b. 從造價方面（建安直接費），方案一在基礎結構和主體結構造價方面比方案二、方案三要低；在維護結構造價方面，方案一和方案二相同，都低于方案三；在附屬結構造價方面，方案一和方案二也相同，都低于方案三?？傇靸r方案二較方案一增加約259.43萬元，但是方案一尚未包括使用期鋼絞線監測及維護費用，方案三較方案一增加約610.15萬元。

3 結論

通過對河工模型廳（80米跨度）結構方案中無預應力空間管桁架結構、體內張拉預應力鋼絞線桁架結構、普通拱形管桁架結構三種方案的定額造價、結構功能進行分析，得出：無預應力空間管桁架結構方案更為合適。無預應力空間管桁架結構不僅造價實用，工藝相對較高，并且避免使用期對鋼絞線監測。保障鋼結構廠房的安全和穩定。

[1]商懷宇, 胡靜. 淺談建筑企業工程量清單計價規則應用的注意事項[J]. 建筑工程技術與設計, 2017(8).

[2]長江航道重慶科研實驗基地項目工程可行性研究報告