1结构体系的选择
在主体结构设计之前，结构体系的选择对工程本身起着至关重要的作用，特别是像这样一个既有吊车又有局部夹层、稍微复杂一些的结构。本工程原设计整个厂房采用的是双向刚接，即横向和纵向都设置了钢梁，钢梁与钢柱之间的连接采用刚性节点，软件计算分析时采用空间三维建模。在优化设计时提出主体结构采用“单向刚架（横向）＋支撑（纵向）”体系，厂房总体考虑框排架结构，即一侧为刚架方向（梁柱连接为刚接），另一侧采用设柱间支撑的形式（梁柱连接为铰接）。在主框架结构设计过程中，由于本工程跨度只有１２ｍ，为便于构件的制作和实现标准化，夹层梁和屋面梁，尤其是屋面梁均按照等截面梁进行设计。对于其他跨度较大的轻钢厂房（超过１５ｍ），建议根据荷载作用下刚架的受力特点，结合考虑构件的制作、运输等情况，对屋面梁进行合理分段和截面设计，框架中间钢梁采用等截面，跨度的两端钢梁采用加腋变截面梁，利用截面变化，使各截面组合内力与材料设计强度的比值尽可能接近，即采用满应力设计，从而使得刚架的设计经济合理。对于单层有吊车部分，在吊车梁标高处采用吊车梁兼做系杆（沿着吊车梁方向，吊车梁受到山墙风压和吊车制动力，经验算，两者合力比较小，吊车梁承载力远大于两者最不利组合，所以此高度可以不设系杆）。在设计时为保证房屋的整体刚度，采取了一些必要的措施，如刚架柱柱顶的刚性系杆不再采用双檩条兼做，而是采用圆钢管做系杆。由于吊车质量较小，均未超过１０ｔ，因此单层带吊车部分主框架梁柱设计时，参数均按门刚的要求进行控制，如平面内应力比、平面外应力比、长细比，而屋面梁挠度和柱顶位移，既符合ＣＥＣＳ１０２∶２００２的要求，也符合ＧＢ５００１７－２００３的要求。对于整个厂房，包括有夹层部分，对横向框架、纵向排架分别进行平面建模，验算变形，厂房区域柱顶纵向最大位移为５．２ｍｍ，夹层区域柱顶纵向最大位移为６．１ｍｍ，各轴纵向变形无明显差距，符合现有国家规范的要求。该工程施工图整理完毕，经公司内相关部门统计分析比较，原设计图纸主框架用钢量为１２７３．７ｔ，优化后图纸主框架用钢量仅为６１２．９ｔ，主框架一项，用钢量节省了６６０．８ｔ，可见产生了较大的经济效益。
2对厂房内夹层楼面次梁的设计方法
楼面钢结构次梁一般按照简支梁考虑，而简支梁又分为组合梁和非组合梁。原施工图对厂房内夹层处按照空间建模，且楼面梁按照非组合梁进行设计计算。在优化设计时框架模型由原来的空间结构模型改为平面结构模型，即只建立１榀刚架的模型进行计算，框架与框架之间次梁采用铰接连接，次梁亦按照铰接组合梁考虑，设计参数（整体稳定、局部稳定、挠度、栓钉数量间距等）控制均按照普钢要求。经计算比较，组合梁的截面高度和钢板厚度都比原设计小了很多。
3檩条墙梁的设计考虑
从节省用钢量的角度来看，应尽量减少使用Ｃ型简支檩条，而多采用Ｚ型连续檩条，因为根据力学模型，同截面连续梁的承载力远大于简支梁，在该工程的设计时都按照连续檩条考虑，在不影响采购、制作和安装的情况下，把檩条高度稍微增高、钢板厚度稍微减薄，这种做法在一般情况下也比较经济。经过后期统计比较，原设计用钢量为１８５．６ｔ，现设计用钢量为１６９．３ｔ，具有一定的经济效益。至于墙梁，若工程中窗洞口或设备洞口较多，则一般不采用Ｚ型连续形式，为施工方便，建议统一采用简支Ｃ型，本工程均采用了简支Ｃ型墙梁，用钢量未有变化。
4系杆支撑系统的设置
多数梁柱在计算中，都是平面外稳定起控制作用，可在梁上或边跨柱上设隅撑，让它与檩条、墙梁组成受力体系，可以减少梁柱平面外计算长度。对于中柱，由于没有墙面，无法做隅撑，则可通过设置通长系杆来减少柱平面外计算长度，本工程取消了原施工图中位于柱顶和吊车梁处的大量纵向钢梁，柱顶采用圆管作为系杆，吊车梁标高处则采用吊车梁兼作系杆，以减少柱平面外的计算长度。由于原设计采用空间结构三维建模，纵向方向的位移控制全部由纵向钢梁承担，优化后的结构体系在横向为平面结构体系，在纵向根据结构需要在不同位置设置柱间支撑，来承担厂房的纵向水平力。根据工艺要求，在单层厂房以吊车梁牛腿为界，上柱采用单角钢支撑，下柱采用双角钢支撑，局部采用桁架式支撑；二层结构处为不影响正常使用，考虑设置人字形或八字形型钢支撑。无论是单层还是夹层处，柱间支撑的设置位置均与水平支撑位置相对应，以保证纵向水平力的传递，使得整个厂房受力明确，传力直接、简捷。按照“弱构件、强支撑”的理念进行优化设计，在施工图绘制中，根据计算结果，适当加大了支撑的截面。优化后的支撑系统用钢量虽然比原设计多出５５ｔ，但保证了厂房的安全性。
5围护及其他构造的优化
围护系统是指彩钢板、保温层、天沟等。彩钢板由于板型、基板厚度、镀（铝）锌层厚度、厂家的不同，价格会有较大的差别；保温层有超细玻璃丝棉、岩棉等之分；天沟材料分为不锈钢、彩板、钢板。以上围护材料选择的差异，都会影响厂房的总造价。本工程在不改变原建筑风格的前提下，采用市场常用的围护材料，也节省了一部分投资，避免了一些不必要的浪费。本示例工程原施工图总用钢量（包括主构件、檩条墙梁、支撑系统）为１４９４ｔ，优化后施工图总用钢量为８８８ｔ，取得了一定的经济效益。该工程于２００７年底建成投入使用，经多次回访，得知本厂房现已满负荷使用，未发现任何异常情况。
6结语
通过以上论述，可看出钢结构的优化设计大有可为，优化设计不但在经济效益上较为明显，而且使结构的受力更加合理，但优化设计绝不能以降低结构的安全度来换取经济效益。
作者：栗新民 宋向东 单位：青岛远征钢结构工程有限公司 山东杭萧钢构有限公司