如何从设计的角度节省钢结构的造价？

我国大部分建筑结构都是混凝土结构，大多数设计师对混凝土设计非常熟悉。 随着我国钢材产量的不断增加，钢结构建筑的数量与日俱增。 但我们的设计人员对于钢结构的设计并不是特别熟练，而且设计出来的钢结构价格也比较贵。 本文从以下五个方面阐述如何从设计角度节约钢结构成本。

01.选择合适的结构方案； 02、充分发挥材料的潜力； 03.采用预应力技术； 04.考虑钢材和混凝土的协同工作； 05.简化结构设计。

01选择合适的结构方案

1、受力合理的结构规划是实现经济合理性的重要手段。 空间结构系统通常比平面系统更有效地利用材料。 以屋顶结构为例，平屋顶桁架需要通过纵向构件和斜撑连接成一个整体。 这些次要构件要么不参与承重，要么只承受较小的风力和支撑力，因此截面往往没有得到充分利用。 作为空间结构，网架的纵横构件及斜杆均参与承重系统，使钢材得到更充分的利用。 同时，满足刚度要求的网格高度也低于沿一个方向传递力的平面桁架，从而减少了建筑物的墙体和采暖空间。

2、确定结构类型后，选择元件布局仍有很大的灵活性。 集中使用材料可能会节省成本。 对于高层厂房，框架柱间距宜加大。 不仅吊装时构件数量减少，钢材消耗也可能减少。 弱地基厂房采用18m或24m作为基本柱距，而不是6m或12m。 随着柱数的减少，基础工程的成本也相应降低。

3、单层多跨门式刚架常使中心柱上下两端铰接，仅两侧柱、梁刚性连接，如下图1所示。 这样，承受侧向力、提供侧向刚度的任务就集中在两侧的立柱上。 它们高度小，除轴压外还承受弯矩，且横截面积大，因此长细比小，能充分发挥钢材的作用。 同理，当多层房屋由梁、柱组成刚架来抵抗侧向力时，只需将部分梁、柱刚性连接，其余部分用铰接，这样不仅节省了材料，而且还简化了结构结构，方便了安装。

图1 多跨门式刚架

4、材料的集约化使用还体现在部件的大型化。 下图2给出了美国堪萨斯城一座体育场主要承重结构的简化图。 这里采用三个相距46.65m的格构空间框架作为基本承重系统。 框架本身形成一个几何不变的系统，不需要支撑支撑。 在框架之间悬挂纵向桁架、檩条和屋顶。 框架是外露结构，不占用建筑物空间。

图2 空间框架系统

5、物料是集中比较好还是分散比较好，需要具体分析。 多层住宅的外柱，相对于高大的厂房来说，可能更适合排列得更紧密。 民用房屋层高不高，外柱间距较近（相距1.5~3.0m）。 墙板可直接连接，无需在柱间设置墙框柱或窗柱。 外柱截面深度较小，也可以节省建筑物的有效面积。 什么情况下采用什么柱距比较合适？ 当经验不足时，建议通过比较方案来做出选择。

02充分发挥材料的潜力

1、当采用钢材作为受拉构件时，其潜力可得到充分发挥，因为拉杆的整个截面均可受力至钢材的强度设计值。 压杆截面积由稳定性控制，强度设计值需乘以稳定性系数来减小。 长细比越大，材料的利用潜力越低。 在钢结构设计中，多用拉杆、少用压杆是节省材料的有效途径。

2、悬挂系统可以充分体现这一理念。 下图3为香港一栋47层银行大楼的结构（地下部分未示出）。 两根巨大的主柱和桁架每隔几层放置在一起，形成一个巨大的框架。 每层楼都悬挂在桁架的下弦节点上。 整个建筑采用四福巨型框架，间距16.2m。 桁架的高度相当于正常楼层高度的两倍。 该结构的主要承重系统仅由几根柱子组成。 荷载集中在这些柱上，其长细比不是很大。

图3 悬挂系统

03采用预应力技术

1、采用高强度钢拉杆或钢索对钢构件施加预拉力，使其获得与载荷作用相反的应力，从而提高其承载能力。 这是减少钢材用量的有效途径。 1957年和1959年，我国分别修建了跨度为25m和53m的预应力运煤斜桥。 下面的图 4 给出了前者的简化图。 预拉构件采用高强钢筋，预拉力作用于地面。 张拉方法是用千斤顶顶出桁架中部的挠度，用正反螺套将其拉紧。

图4 预应力煤炭运输栈桥

04考虑钢材和混凝土的协同工作

1. 在一个构件中同时使用钢材和混凝土（或钢筋混凝土）是获得经济效益的另一种措施。 目前，压型钢板复合楼板已普遍应用于多层、高层建筑中。 压型钢板兼具模板和拉力钢的双重作用，不仅简化了施工，而且减少了楼板的厚度。 钢梁和支撑的钢筋混凝土楼板（或组合楼板）共同作用。 楼板作为钢梁的受压翼缘，可节省钢材4%~15%，降低成本10%左右。 梁的高度也降低了，节省了建筑空间。

2、钢、混凝土组合柱的种类较多。 目前最常用的是钢管混凝土柱。 它允许两种材料相互支撑，从而提高两者的性能。 钢管由混凝土支撑，可实现无局部失稳的径厚比。 混凝土受到钢管约束，其抗压强度大大提高。 整体而言，钢管混凝土具有良好的塑性和韧性。 在循环荷载作用下，荷载-变形滞回曲线非常饱满，抗震性能非常好。 与钢柱相比，钢管混凝土柱可节省钢材30%~40%。 钢管混凝土的耐火性能也比钢柱好，因为内部混凝土的热容远大于钢材，而导热系数又低于钢材。 混凝土升温滞后，防止了承载力快速丧失，从而延长了耐火时间。 钢管混凝土柱所需的阻燃涂层是钢柱的一半或更少。

05简化结构设计

1、结构设计也影响钢材消耗量，但更重要的是影响生产和安装成本。 材料成本仅占钢结构工程造价的一半左右。 组件生产、运输和安装的总成本与材料成本类似。 因此，降低制造和安装成本与节省钢材同样重要。 多跨门式刚架的中间柱、梁采用铰接，可大大简化节点连接结构。 因此，其优点不仅在于材料的合理使用，还在于其易于生产和快速安装。

2、减少零件数量、切削工作量、焊接工作量都是降低生产成本的有效途径。 在可以使用轧制钢型材的地方，不需要焊接型钢。

3、梁、柱的螺栓连接应标准化，即针对每种具体的连接形式，螺栓应统一布置，以利于使用精细化模板钻头。 设计元件时，应注意减小规格。 不同标签的运输单元越少，越有利于批量生产和自动化生产线的好处。 网格结构甚至可以加工成标准化产品进行销售，且生产量大、成本低。 设计师非常熟悉生产过程，并且会生产出生产成本低廉的设计。