淺談輕鋼結(jié)構(gòu)住宅若干問題的優(yōu)化設(shè)計

1、<p>　　淺談輕鋼結(jié)構(gòu)住宅若干問題的優(yōu)化設(shè)計</p><p>　　摘要：從結(jié)構(gòu)體系的布置、構(gòu)件的截面、節(jié)點形式等方面對鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。用概念設(shè)計進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化。對構(gòu)件的截面、節(jié)點形式的優(yōu)化設(shè)計利用多維約束非線性規(guī)劃方法建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行優(yōu)化，獲得構(gòu)件的最優(yōu)截面尺寸。使鋼結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)化設(shè)計做到縮短設(shè)計周期、節(jié)省人力、降低成本、提高設(shè)計質(zhì)量和水平的目的。最終取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，從而促進(jìn)

2、鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化在中國的快速發(fā)展。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)住宅；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 </p><p>　　Abstract: From the structural system layout, component section, node form of steel residential structure optimization design. Optimization of

3、 structural system in conceptual design. On the section, node form optimization design using multidimensional constrained nonlinear programming method to establish the mathematical model and optimization, the optimal sec

4、tion size of components. The optimization design of steel structure residential buildings to shorten the design period, save manpower, redu</p><p>　　Keywords: steel structure residential buildings; structure

5、 optimization </p><p>　　中圖分類號：F121.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104（2012） </p><p>　　1 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅面臨的問題 </p><p>　　1.1 整個社會對這種新住宅體系的接受需要一個過程 </p><p>　　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是在國外尤其是北美地區(qū)木結(jié)構(gòu)住宅的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

6、，這兩種體系雖然在國外已經(jīng)十分成熟和完善，但是對于我國來說卻完全是新東西，要使以適應(yīng)了磚混或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的住宅消費者，從接受到逐步喜歡輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，需要一個漸進(jìn)的過程。 </p><p>　　1.2 缺少實用性人才 </p><p>　　在人員方面，由于國內(nèi)建筑類專業(yè)針對鋼結(jié)構(gòu)住宅的工程技術(shù)人員相對較少，設(shè)計院的設(shè)計人員通常根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，不能保證設(shè)計是最優(yōu)的設(shè)計方案。對于施工單位，由于鋼

7、結(jié)構(gòu)住宅的施工對施工人員的技術(shù)性要求更高，很難保證施工質(zhì)量。所以真正推行起來還缺乏大量實用性人才。 </p><p>　　2 輕鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 </p><p>　　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅主要從其結(jié)構(gòu)體系的布置、構(gòu)件的截面選擇、不同節(jié)點形式等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 </p><p>　　2.1 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的布置 </p><p>　　1 輕鋼結(jié)構(gòu)

8、住宅的結(jié)構(gòu)形式主要有框架、框架-中心支撐、框架-偏心支撐、筒體和巨型結(jié)構(gòu)。表一為《建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50010-2010》規(guī)定的各種結(jié)構(gòu)形式的鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度。 </p><p>　　在設(shè)計過程中選用何種體系，應(yīng)該綜合考慮多方面的因素。例如突出鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的大柱網(wǎng)和適應(yīng)現(xiàn)代人生活需要的大開間、易改變的布置因素。為了使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理，多層鋼結(jié)構(gòu)住宅對結(jié)構(gòu)布置有以下要求。當(dāng)然這些要求不是絕對的，而是在一定條

9、件下會更經(jīng)濟，更合理。 </p><p>　　表一 鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度 </p><p>　?。?） 采用矩形平面或由矩形平面單元組成的建筑平面。 </p><p>　?。?） 框架柱在房屋橫向宜成列布置。 </p><p>　?。?） 將支撐或桁架腹桿設(shè)在無孔口的分戶墻中。 </p><p>　?。?） 采用間

10、隔桁架體系時，房屋縱向走廊宜設(shè)置在橫向桁架的中部。 </p><p>　　2 鋼架-支撐結(jié)構(gòu) </p><p>　　中心支撐屬于受拉支撐，偏心支撐屬于受壓支撐，規(guī)范對長細(xì)比及板件寬厚比的規(guī)定使中心支撐較經(jīng)濟，但偏心支撐具有在彈性階段剛度接近中心支撐框架，在彈塑性階段的延性和消能能力接近于延性框架的特點，是一種良好的抗震結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50010-2010》的規(guī)定： &l

11、t;/p><p>　?。?） 一、二級的鋼結(jié)構(gòu)房屋，宜設(shè)置偏心支撐。 </p><p>　?。?） 三、四級且高度不大于50m的鋼結(jié)構(gòu)宜采用中心支撐，也可采用偏心支撐。 </p><p>　?。?） 中心支撐框架宜采用交叉支撐，也可采用人字支撐或單斜桿支撐，不宜采用K形支撐；支撐的軸線宜交匯于梁柱構(gòu)件軸線的交點，偏離交點時的偏心距不應(yīng)超過支撐桿件寬度，并應(yīng)計入由此產(chǎn)生的

12、附加彎矩。當(dāng)中心支撐采用只能受拉的單斜桿體系時，應(yīng)同時設(shè)置不同傾斜方向的兩組斜桿，且每組中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不應(yīng)大于10％。 </p><p>　?。?） 偏心支撐框架的每根支撐應(yīng)至少有一端與框架梁連接，并在支撐與梁交點和柱之間或同一跨內(nèi)另一支撐與梁交點之間形成消能梁段。 </p><p>　　2.2 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅構(gòu)件的截面形式 </p><

13、;p>　　1 鋼結(jié)構(gòu)住宅的梁截面一般采用焊接或軋制H型鋼，當(dāng)為組合樓蓋時可采用鋼-鋼筋混凝土組合梁。鋼-鋼筋混凝土組合梁的優(yōu)點： </p><p>　?。?） 混凝土造價低、抗壓強度高、剛度大，作為板的受壓區(qū)；鋼材受拉性能好，放在受拉區(qū)，代替受拉縱筋。從而使兩種材料合理受力，發(fā)揮各自的優(yōu)點。承載力相同時，比非組合梁節(jié)約鋼材達(dá)15%-25%。 </p><p>　　（2） 混凝土板參與

14、梁的工作，梁剛度增大。用于高層建筑，不僅降低層高，且顯著減輕地基荷載。 </p><p>　　（3） 避免了鋼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生整體失穩(wěn)的弱點。在符合一定的條件下，組合梁的整體穩(wěn)定可以不必驗算。 </p><p>　　2 鋼結(jié)構(gòu)住宅的柱主要采用鋼管混凝土柱，其受力性能優(yōu)越，優(yōu)點如下： </p><p>　?。?） 重量輕、承載力高、塑性好、耐疲勞、耐沖擊。 </p&

15、gt;<p>　?。?） 可以采用高強混凝土，三向應(yīng)力避免了核心高強混凝土的脆性破壞。 </p><p>　?。?） 延性好，抗震性能好。 </p><p>　?。?） 鋼管本身可作為澆筑混凝土的模板，不需支模、鋼筋制作與安裝，簡化施工。 </p><p>　　3 一些研究者利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，針對鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并已取得有效可行的方案。

16、如利用遺傳算法對鋼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化設(shè)計問題進(jìn)行求解，并在此基礎(chǔ)上建立了鋼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型庫，對各種鋼結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 </p><p>　　2.3 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅節(jié)點設(shè)計 </p><p>　　輕鋼結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，節(jié)點的設(shè)計和構(gòu)件的設(shè)計具有同等的重要性，因此必須給予成分的重視。剛結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計包括梁―柱節(jié)點、梁―梁節(jié)點、柱―柱節(jié)點、柱腳節(jié)點，柱帽節(jié)點等等。設(shè)計時應(yīng)確保節(jié)點的安全可靠，并盡

17、量采用簡介、穩(wěn)定、可靠的施工工藝，減少或避免現(xiàn)場的焊縫連接。節(jié)點的形式按傳力特性大體可以分為三類：鉸節(jié)點、半鋼性節(jié)點、鋼性節(jié)點。通過對各種節(jié)點形式計算分析并對剛接性能做了評價，最終確定一種最優(yōu)節(jié)點形式。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是所有參與的量部分以變量出現(xiàn)，在滿足規(guī)范和規(guī)定的前提下，形成全部可能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案域，按照相應(yīng)的優(yōu)化方法建立數(shù)學(xué)模型，按設(shè)計者預(yù)定的要求，從域中選出一個不但可行且最好的設(shè)計方案。

18、針對鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系的布置、構(gòu)件的截面、節(jié)點形式等方面均可按照此方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 </p><p>　　3 鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢及發(fā)展前景 </p><p>　　建設(shè)節(jié)能省地型住宅是中國住宅未來的發(fā)展趨勢，而發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑則是解決高能耗建筑的一條行之有效的途徑。輕質(zhì)高強，容易實現(xiàn)大跨度與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。建筑布置靈活，抗震性能優(yōu)良。模數(shù)化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)圖構(gòu)件、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、精度高、質(zhì)量

19、容易保證。截面小，建筑面積中結(jié)構(gòu)占用比例小，使用率高。 </p><p>　　3.1 經(jīng)濟性能的優(yōu)越性 </p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)自重輕，降低基礎(chǔ)造價，強度高，相應(yīng)梁柱的截面小，使用率可提高5%-7%。施工速度快，可縮短工期40%。樓層凈空增大，提高居住的舒適度。 </p><p>　　3.2 環(huán)保方面的優(yōu)越性 </p><p>　

20、　現(xiàn)階段能達(dá)到65%的節(jié)能要求；鋼結(jié)構(gòu)住宅建造過程中的CO2排放量較傳統(tǒng)住宅建筑降低20%-40%；主體結(jié)構(gòu)可100%循環(huán)利用、節(jié)約資源、避免大量建筑垃圾對環(huán)境的污染；施工濕作業(yè)少，減少粉塵、噪聲污染，節(jié)約水資源，改善環(huán)境。 </p><p>　　3.3 鋼結(jié)構(gòu)住宅在國內(nèi)的發(fā)展 </p><p>　　近幾年來，在北京、上海、天津、山東、沈陽、鞍山、武漢、南京等地建成一批鋼結(jié)構(gòu)住宅示范試點工

21、程，使鋼結(jié)構(gòu)住宅穩(wěn)步健康地發(fā)展。據(jù)資料顯示：2002年3月，一座高達(dá)18層、采用H型鋼建造的鋼結(jié)構(gòu)住宅樓在安徽省馬鞍山市動工建設(shè)。它是我國住宅產(chǎn)業(yè)從鋼筋混凝土跨進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)模式的重要標(biāo)志。上海同時有6幢鋼結(jié)構(gòu)高層住宅在建設(shè)，最終他們將建到100米、34層，這在國內(nèi)還是首次。2002年9月開盤的北京金宸公寓，填補了國內(nèi)高層住宅鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的空白，同時也標(biāo)志著我國住宅的開發(fā)和建設(shè)已步入了全新的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系時代 </p><

22、;p><b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　?。?） 本文根據(jù)規(guī)范和概念設(shè)計，對鋼結(jié)構(gòu)住宅提出比較經(jīng)濟合理的布置形式，經(jīng)分析高層鋼結(jié)構(gòu)住宅宜采用偏心支撐框架的結(jié)構(gòu)形式。 </p><p>　　（2）鋼結(jié)構(gòu)住宅宜采用鋼-混凝土組合梁和鋼管混凝土柱。 </p><p>　?。?）鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)化設(shè)計可用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，對結(jié)構(gòu)體系的布置

23、、構(gòu)件的截面、節(jié)點形式建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，能高效、快速的得到最優(yōu)方案。 </p><p>　?。?）隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)住宅會越來越多，使鋼結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)化設(shè)計做到縮短設(shè)計周期，節(jié)省人力，提高設(shè)計質(zhì)量和水平，最終取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，從而促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化在中國的快速發(fā)展。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p&