总述

    新建章丘为民服务大厅是一座建筑面积为9万平方米的单体钢结构建筑，地上七层、地下两层，层高为：地下二层3.9m、地下一层4.5m、一到四层4.2m、五层6.3m、七层4.2m、屋面水箱间4.2m，工程总长133m，总宽95.6m，主要建筑功能为驻厅部门窗口及后台审批、公共资源交易中心、政管等等，同时包含了相关服务、停车等配套用房。

    本文将从结构特点、方案选择、结构计算分析、BIM应用四个方面着手，与读者分享和深度解析钢结构公建设计过程中遇到的难点与解决方案。

    结构特点

    1、本工程结构形式为钢框架偏心支撑结构，框架柱为矩形钢管柱，其中支撑大跨结构的钢柱内灌混凝土。梁主要为H型钢梁，楼板采用钢筋桁架楼承板。

    2、结构跨度大。中间屋面处设有跨度为33.6m的立体桁架（效果图中为屋面中间的锯齿形采光顶处）；两侧屋顶花园处为25.2m跨度的单向密肋梁；在二层、四层处均设置有平面桁架（中庭两侧位置）；在每一层的南北两侧，对应门厅的位置共设置十多处跨度为18.6m的实腹钢梁。整个结构采用大跨结构的建筑面积约占总建筑面积的50%。

    3、开洞多，各楼层的开洞率为：一层75%、二层25%、三层60%、四层25%、五层25%、六层和七层约40%。

    4、结构超限。存在扭转不规则、楼板不连续、竖向构件不连续、穿层柱等多项不规则，不存在严重不规则。

    5、结构超长，长133m，宽95.6m。

    方案选择

    1、为了响应绿色建筑、化解产能、推广装配式建筑的国家政策，本工程采用钢结构。从结构受力角度看，采用钢结构对大跨空间较为有利。为满足建筑使用空间及功能要求，采用了偏心支撑，并将偏心支撑重点布置于大跨、开洞周边，用以增强薄弱部位的刚度。

    2、大跨一位置为屋面层的屋顶花园处，跨度为25.2m，若采用桁架方案，桁架高度需要做到3米，用钢量约200kg/m2；若采用实腹式密肋梁，结构高度可减小至1.6m，但用钢量增加到350公斤kg/m2。大跨二位置为三层和五层的办公大厅处，跨度亦为25.2米，若采用桁架方案，桁架高度需为2米，用钢量约100kg/m2，若采用实腹式钢梁，结构高度可减小至1.5m，但用钢量增加到150kg/m2。从两个大跨位置两种方案的比较可以发现，桁架方案比钢梁方案用钢量节省，但是需要的结构高度大。考虑到大跨一位置有净高要求，最终大跨一位置选择实腹式密肋梁方案，大跨二位置选用桁架方案。

    （大跨一，建筑上有净高要求，选择密肋梁方案。）

    （大跨二，两层通高，高度富裕，选择桁架方案。）

    计算分析

    1、用3d3s对桁架进行单独建模，在yjk中进行整体分析，同时采用midas进行复核。

    2、结构抗震性能目标定为D级，支撑大跨的柱和穿层柱性能目标为C级。关键构件为底部楼层框架柱、穿层柱和支撑大跨的柱；普通构件是框架柱和桁架；耗能构件为偏心支撑和框架梁。

    3、采用2条人工波和5条天然波对结构进行多遇地震下的弹性时程分析。每条时程曲线计算出的底部剪力均大于振型分解反应谱法的65%，多条曲线计算结构的平均值大于振型分解反应谱法的80%，满足选波要求，时程分析和振型分解反应谱法分析的位移和位移角接近。个别楼层剪力的时程分析的平均值大于反应谱法计算值，按规范要求采用两者的较大值。

    4、进行动力弹塑性分析，其主要目的是为发现薄弱部位并提出相应的加强措施。计算发现大震下结构的位移角为1/190远小于1/50的限值，满足大震不倒的要求。

    5、楼板的舒适度验算。本工程采用了两种方法计算，其中静力法计算值是0.051m/s2，时程分析法计算值是0.042m/s2，两者差值约17.6%，其中时程法满足规范限值，静力法略大于限值。

    应用

    在方案阶段建筑专业就配备了齐全的BIM设计团队，配合方案方进行方案推敲和立面创作，在单元式幕墙构造、中庭天窗构造推敲中的成果得到了方案方同事的认可；在施工图设计中辅助设计，部分疑难区域用三维图纸表达设计；后期配合各专业进行项目的深化BIM设计，核查施工图设计中的问题，合理精确的调整各专业的管线位置，以保证重要节点的净高和室内大空间的体验。

    建筑模型将室内的细节、构造的逻辑都逐一塑造出来，为甲方呈现了一个所见即所得的三维可见模型。对接施工方面，细致的模型也能使施工人员更快速准确的理解设计意图，为施工人员的施工组织设计提供准确的依据，减少大量的设计纠纷，为施工省工期，为甲方省成本。

    设计

    1、本项目结构形式为钢框架偏心支撑结构，存在较多跃层、大跨房间，空间关系复杂，结构专业BIM设计在项目方案阶段就建立了Revit模型，使跃层柱、柱间支撑、大跨梁、空间桁架等构件的空间关系一目了然，不但有利于结构专业自身的优化设计，而且能够更有效的配合建筑师进行空间和流线的调整、细节构造的推敲，为设备机电专业的管线提供清晰准确的空间。

    2、结构BIM设计过程中，模型在Revit与YJK两个软件之间多次互导实现准确合理的建模与计算。

    3、考虑到Revit模型在钢结构节点处理上的局限性，结构BIM设计还建立了Tekla模型，实现了节点的建模，使复杂节点变得直观清晰，对钢构件的加工、制作、安装有很重要的指导作用。

    4、对全模型进行了碰撞检查，排除了设计中的失误，节约了时间和物质成本。生成准确的材料清单，节约人力资源并减少错误。

    结语

    章丘政务中心项目采用钢材作为主要的建筑材料。不仅实现了建筑物内大比例的开阔筑空间，并且响应了国家倡导绿色建筑，化解过剩产能，推广装配式建筑的政策。从静力弹性分析到动力弹塑性分析，一系列详尽的分析设计，使建筑结构既安全又经济。

    今后，同圆集团设计五院将不断致力于钢结构大型公建的研究与设计，不断开拓创新，用专业的态度为客户提供更加优质的设计产品。

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