技术交流 | 轻型装配式钢结构龙骨布置形式优化

随着绿色建筑理念的推广，轻型装配式建筑在我国得到了大力推广，社会和市场需求逐年增大，其中以轻型钢结构的应用最为广泛。轻型钢结构在施工应用过程中如何实现结构优化？怎样的结构才最适合绿色施工？一起来看下面的分析吧。

以龙骨结构体系为主导的轻型钢结构集成式住宅建设发展较快，成为推行绿色建筑的重要领域，并且在全国范围内均有大量工程案例。在现行GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》中，明确了结构优化作为评价指标，将节材与材料资源利用作为7类评价指标之一，并明确说明了对应的指标评分项目。

节材与材料资源利用指标是针对结构专业在设计阶段的评价标识，在国外绿色建筑评价体系中均以材料和资源利用作为一项重要的评价指标。因此，设计一种结构效率高的新型龙骨结构布置方案，是轻型钢结构建筑在建筑节能方面的工程发展需求，也是绿色建筑发展过程中需解决的关键问题。

轻型钢结构建筑在龙骨结构的布置形式方面具备较为充分的优化空间，在结构节材方面以结构产生的应力最小、材料用量最少作为优化目标，在受到相同水平荷载或竖向荷载的作用下，优化龙骨布置方式，以新型桁架式布置的龙骨替代常规竖向布置的龙骨，形成新型桁架式龙骨结构体系，以杆长与应力的乘积作为结构效率进行判别，对比不同龙骨布置方案的结构效率，得出结构受力性能和节材效果更好的新型龙骨结构布置方案，在绿色建筑推广的过程中，充分发挥采用该方案的新型桁架式龙骨结构体系的建筑节能效率，达到减少建筑材料用量，节能环保、可持续发展的目的。

1.有限元分析

采用ABAQUS有限元软件进行分析，以墙体尺寸2.4m×3.0m和4.8m×3.0m为例，在单独施加水平单位集中荷载、单独施加竖向单位均布荷载、同时施加水平单位集中荷载和竖向单位均布荷载3种不同条件下，对采取不同龙骨布置方案的结构形式进行有限元分析，分别得出在3种不同荷载条件下采用不同龙骨布置方案的桁架应力分布。

2.结构效率计算

在对模型进行大量参数化分析得出数据后进行相应的数据处理。引入“结构效率”的概念，在达到相同结构目的条件下，尽可能减少结构构件数量，从而减少建筑材料用量，达到节能环保的绿色建筑要求。通过结构应力最小、材料用量最少为优化目标，对不同荷载条件、墙体高宽比下轻型钢结构龙骨结构体系的龙骨布置方案进行计算分析，并对结构节材效果进行量化。

（1）定义设计限值，定义材料强度、未定型及变形限值。

（2）确定结构优化范围。通常优化包括自动定义与人工定义两种方式。

（3）进行截面优化计算。

（4）查看优化结构：输出设计限值，初始截面参数及其计算出的强度和变形结果，确定优化后总重量，输出优化后的截面参数及计算结果；输出优化后的截面图形；输出构件强度及稳定计算结果；利用程序将局部放大，可参考截面信息返回人机交互输入与修改主菜单，对参数信息进行适当调整，并检查。

对比分析不同墙体宽度、不同荷载条件下，新型桁架式龙骨布置方案与常规龙骨竖向布置方案结构效率的比值可知，采取人字形龙骨布置方式的新型桁架式龙骨结构体系结构效率最高，结构节材效果最好。

随着墙体尺寸及荷载条件不同，相应的墙体骨柱优化布置方案有所不同，将2.4m作为一个基本宽度，当墙体宽度为2.4m时，建议墙体骨柱布置方案为人字形桁架布置；当墙体宽度为大于2.4m时，建议以人字形桁架按基本宽度布置；当水平荷载起控制作用时，增加联系整个墙宽范围的斜向系杆；当竖向荷载起控制作用时，应增大斜向系杆倾角，且联系范围为中部墙体。在后续工作中，拟进一步对采取人字形龙骨布置方案的新型桁架式龙骨结构体系进行试验研究，将试验得出的数据和软件模拟结果进行对比分析，验证结论的可行性。