徐 云

(中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300461)

0 引言

在建筑結(jié)構(gòu)中，以鋼材制作為主要形式的結(jié)構(gòu)是主要類型。鋼材具有較強(qiáng)的變形能力，較好的整體鋼性、自重輕、強(qiáng)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(zhì)性都比較好，是理想的彈性體，和一般工程力學(xué)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(shí)現(xiàn)比較大的變形，能較好承受住動(dòng)力荷載。鋼材的建筑周期比較短，工業(yè)化程度比較高，能實(shí)現(xiàn)較高機(jī)械化的生產(chǎn)。

1 工程總概況

長江航道重慶科研實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目中河工模型大廳工程位于重慶市南岸茶園新區(qū)，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(jié)約造價(jià)的原則，將基地分成3個(gè)標(biāo)高，其中：檢測實(shí)驗(yàn)中心9044.88平方米（包含多種設(shè)備用房、變電所、發(fā)電機(jī)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(xiàng)目概算編制依據(jù)是《重慶市建設(shè)工程計(jì)價(jià)定額》以及交通部《內(nèi)河航運(yùn)建設(shè)工程概算預(yù)算編制規(guī)定》2014年。重慶市建設(shè)工程計(jì)價(jià)定額綜合解釋（2008年版）、重慶市建筑工程計(jì)價(jià)定額（2008年版）、重慶市裝飾工程計(jì)價(jià)定額（2008年版）、重慶市安裝工程計(jì)價(jià)定額（2008年版）、重慶市市政工程計(jì)價(jià)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(shè)有局部夾層[1]。本工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為模擬河道實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)火宅危險(xiǎn)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(gè)建筑物為一個(gè)防火分區(qū)，設(shè)六個(gè)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(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.7.1條。每個(gè)觀測室的建筑面積不大于400m2，且同一時(shí)間的作業(yè)人數(shù)不超過30人，滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.7.2條的規(guī)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(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.7.5條最小凈寬度的規(guī)定。疏散距離滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第 3.7.4條之的規(guī)定[2]。通過以下幾個(gè)方面開展比選分析：

2.1 屋蓋結(jié)構(gòu)選型

目前，對于本項(xiàng)目屋蓋結(jié)構(gòu)選型可采用的結(jié)構(gòu)形式有管桁架結(jié)構(gòu)、張拉索桁架（梁）結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。

在大跨度結(jié)構(gòu)內(nèi)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是常用結(jié)構(gòu)類型，由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點(diǎn)連結(jié)而成的空間結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)主要是：空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能及整體性好等。可用作體育館、影劇院、展覽廳、候車廳、體育場看臺(tái)雨篷、飛機(jī)庫、雙向大柱距車間等建筑的屋蓋。其缺點(diǎn)是：匯交于節(jié)點(diǎn)上的桿件數(shù)量較多，節(jié)點(diǎn)的耗鋼量較大，制作安裝較平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工費(fèi)用高[3]。本工程跨度為 80m，結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)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(wǎng)架中部增加了弦桿層，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)量增多，中間層的節(jié)點(diǎn)所連接桿件多，構(gòu)造較復(fù)雜，對于80m跨度的屋蓋來說，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不太理想，且其桿件數(shù)量眾多，施工周期長，室內(nèi)的視覺效果差。本次不予采用。

對上部結(jié)構(gòu)形式重點(diǎn)選取無預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)、張拉索桁架（梁）結(jié)構(gòu)以及拱形管桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案對比：

方案1：體內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線桁架結(jié)構(gòu)

張弦桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，也是一種用撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件形成的自平衡體系。柔性索與剛桁架的有效結(jié)合使得結(jié)構(gòu)各部分充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)，各構(gòu)件中的內(nèi)力分布均勻合理，傳遞給下部結(jié)構(gòu)的推力最小，最終顯著提高了結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和剛度，并節(jié)省了材料的用量。

本工程結(jié)構(gòu)跨度為80m，結(jié)構(gòu)斷面方案與方案2相同，僅在下弦桿內(nèi)增加設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼索。

經(jīng)過初步計(jì)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(nèi)設(shè)置拉索，拉索采用37根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為15.2。主結(jié)構(gòu)用鋼量約為71kg/m2。桁架的結(jié)構(gòu)高度約為6.0m。

方案2：無預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)

相比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，管桁架結(jié)構(gòu)省去下弦縱向桿件和網(wǎng)架的球節(jié)點(diǎn)，在構(gòu)筑圓拱和任意曲線形狀方面比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢，其各向穩(wěn)定性相同，節(jié)省材料用量。相較于傳統(tǒng)的開口截面（H型鋼或I字鋼）鋼桁架，管桁架結(jié)構(gòu)截面材料繞中和軸較均勻分布，使截面同時(shí)具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較大剛度，不用節(jié)點(diǎn)板，構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)外形美觀，便于造型，有一定裝飾效果，結(jié)構(gòu)整體性能好，扭轉(zhuǎn)剛度大，制作、安裝、翻身、起吊都比較容易。

本工程結(jié)構(gòu)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(shè)置，有效減小了水平推力。

經(jīng)過初步計(jì)算，主桁架上弦桿采用Φ426x12，中弦桿采用Φ325x12，下弦桿采用Φ530x16。主結(jié)構(gòu)用鋼量約為81kg/m2。桁架的結(jié)構(gòu)高度約為6.59m。

方案3：普通拱形管桁架結(jié)構(gòu)

拱形管桁架結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代大跨度公建中普遍采用的結(jié)構(gòu)類型，其特點(diǎn)是：建筑表現(xiàn)力好，結(jié)構(gòu)形式美觀，桿件少，節(jié)點(diǎn)形式簡單流暢，結(jié)構(gòu)的剛度好，抗壓和抗拉性能好。

本工程結(jié)構(gòu)跨度為80m，柱距按20m進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用拱形空間管桁架結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過初步計(jì)算，主桁架上弦桿采用Φ325x12，中弦桿采用Φ159x6，下弦桿采用Φ325x12。主結(jié)構(gòu)用鋼量約為82kg/m2。管桁架的結(jié)構(gòu)高度約為6.8m。

上述三種結(jié)構(gòu)方案的主要計(jì)算結(jié)果對比如表一所示：

表1 屋蓋結(jié)構(gòu)方案主要計(jì)算結(jié)果對比表截面尺寸及規(guī)格 支撐柱底反力，

2.2 屋蓋支撐結(jié)構(gòu)比選

大跨屋蓋的下部支撐體系對于保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全可靠尤為關(guān)鍵，本次采用以下三種支撐柱進(jìn)行比選：

方案1：鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒒炷梁托弯摰膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度可成倍提高，同時(shí)由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)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(gòu)件為主，被廣泛使用于框架結(jié)構(gòu)中（如廠房和高層）。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：施工方便，工期較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大大縮短；承載力高、延性好，抗震性能優(yōu)越；有利于鋼管的抗火和防火；耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)較高梁柱節(jié)點(diǎn)處理較復(fù)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(yōu)點(diǎn)主要是體現(xiàn)在造價(jià)較低、施工簡易、整體性好、耐久性好、易于就地取材等。缺點(diǎn)是相對截面較大，施工周期較長。

方案3：鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱。

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

綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，從建筑使用功能、結(jié)構(gòu)受力方面考慮，建議采用方案1：鋼管混凝土柱方案。經(jīng)初步計(jì)算，當(dāng)屋蓋結(jié)構(gòu)采用無預(yù)應(yīng)下弦水平空間管桁架結(jié)構(gòu)方案時(shí)，鋼支撐柱規(guī)格為Φ1200x20，鋼管內(nèi)澆筑C40混凝土。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

模型大廳屋面結(jié)構(gòu)采用壓型鋼板輕型鋼屋面，設(shè)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(jié)構(gòu)，在支撐結(jié)構(gòu)柱之間按照間距不大于7.0m設(shè)置抗風(fēng)柱，抗風(fēng)柱采用焊接H型鋼截面。墻面采用壓型鋼板輕型結(jié)構(gòu)，檁條采用冷彎薄壁C型鋼。

2.4 建安費(fèi)對比表

建筑安裝工程費(fèi)用估算表工程名稱：長江航道重慶科研實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目-河工模型大廳鋼結(jié)構(gòu)部分金額：萬元

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如表，經(jīng)對比分析，得出結(jié)果：

a. 從結(jié)構(gòu)比選方面：方案一中有預(yù)應(yīng)力鋼絞線，施工工藝要求較高，且存在后期監(jiān)測及維護(hù)；方案三存在較大水平推力及柱底彎矩，對地基基礎(chǔ)及支撐立柱的要求均較高；

b. 從造價(jià)方面（建安直接費(fèi)），方案一在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)造價(jià)方面比方案二、方案三要低；在維護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)方面，方案一和方案二相同，都低于方案三；在附屬結(jié)構(gòu)造價(jià)方面，方案一和方案二也相同，都低于方案三?？傇靸r(jià)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(jiān)測及維護(hù)費(fèi)用，方案三較方案一增加約610.15萬元。

3 結(jié)論

通過對河工模型廳（80米跨度）結(jié)構(gòu)方案中無預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)、體內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線桁架結(jié)構(gòu)、普通拱形管桁架結(jié)構(gòu)三種方案的定額造價(jià)、結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行分析，得出：無預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)方案更為合適。無預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)不僅造價(jià)實(shí)用，工藝相對較高，并且避免使用期對鋼絞線監(jiān)測。保障鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全和穩(wěn)定。

[1]商懷宇, 胡靜. 淺談建筑企業(yè)工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)則應(yīng)用的注意事項(xiàng)[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2017(8).

[2]長江航道重慶科研實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目工程可行性研究報(bào)告