淺談工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王美言WANG Mei-yan

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

（Beijing General Research Institute of Mining &Metallurgy，Beijing 100160，China）

1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前現(xiàn)狀

在現(xiàn)代的社會(huì)，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)是主要的建筑材料之一，在各個(gè)領(lǐng)域都有很大的作用，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與其他建筑材料相比是有著很多優(yōu)點(diǎn)：首先，鋼材本身具有強(qiáng)度高、連接方便可靠、可回收再利用、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)；其次，鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、安裝容易、施工周期短、抗震性能好等優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，其材料力學(xué)性能的可靠性及結(jié)構(gòu)形式的靈活性也使得鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得以進(jìn)一步顯現(xiàn)。因此近年來(lái)無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)際上，鋼結(jié)構(gòu)的舞臺(tái)越來(lái)越大，應(yīng)用越來(lái)越廣。鳥(niǎo)巢和央視大樓中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以說(shuō)是近年來(lái)的代表。

目前鋼結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用大量鋼材的混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例很多，更多的為人熟知的是其在高層、超高層及大型公共建筑中的應(yīng)用。這些項(xiàng)目一般在社會(huì)上的影響力非常大，經(jīng)常為一個(gè)城市甚至一個(gè)國(guó)家的地標(biāo)性建筑。能夠在這樣的項(xiàng)目中得到大量應(yīng)用，充分證明了鋼材及鋼結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所占有的重要位置。

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼材的種類也日益繁多，尤其是高性能鋼材的產(chǎn)品逐漸占據(jù)市場(chǎng)的主體，其應(yīng)用必將更加廣泛。更為重要的是，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件甚至計(jì)算理論帶來(lái)的更大的益處。目前鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件越來(lái)越多，各種技術(shù)理論的應(yīng)用也越來(lái)越全面，鋼結(jié)構(gòu)在有限元及空間作用的研究及應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普及。

盡管大量地標(biāo)性建筑更為人所知，不過(guò)鋼結(jié)構(gòu)在應(yīng)用上更多的是在工業(yè)建筑領(lǐng)域，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也更為悠久。目前大大小小的工業(yè)廠房或者生產(chǎn)線，多數(shù)都離不開(kāi)鋼結(jié)構(gòu)。不過(guò)與其在民用項(xiàng)目中的紅火現(xiàn)象不同，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)設(shè)計(jì)上并沒(méi)有更大的發(fā)展?？赡芷渲械脑蚴呛軓?fù)雜的，也是多方面的。個(gè)人認(rèn)為主要的原因有以下兩點(diǎn)：首先，工業(yè)設(shè)計(jì)用鋼結(jié)構(gòu)體系比較成熟固定，概念清晰，歷史悠久，得到了很多事實(shí)上的經(jīng)驗(yàn)及驗(yàn)證。其次，工業(yè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)上有其獨(dú)特的方面，體系優(yōu)化和材料用量更多的時(shí)候并不是考慮的主要的因素。與其它因素綜合在一起，工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上的發(fā)展比較緩慢。更多的潛力很好的設(shè)計(jì)人才對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的興趣比較低，導(dǎo)致目前總體上相對(duì)于民用設(shè)計(jì)來(lái)講，工業(yè)的設(shè)計(jì)人員能力和潛力都稍微落后。

2 鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的重要性

我們知道農(nóng)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，因?yàn)樗峁┤嗣竦幕旧姹Ｕ?。但在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中光靠農(nóng)業(yè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其它產(chǎn)業(yè)部門(mén)，如工業(yè)、交通、商業(yè)等都必須大力發(fā)展，尤其是工業(yè)，它是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平就代表了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家都是工業(yè)化國(guó)家。作為發(fā)展中國(guó)家，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的工業(yè)還存在許多問(wèn)題。比如總體水平低，現(xiàn)代化程度差，科學(xué)技術(shù)上明顯滯后，工業(yè)生產(chǎn)效率也較低。因此，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。

配合著工業(yè)方面的轉(zhuǎn)型，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也將進(jìn)入到一個(gè)新的階段。在這個(gè)階段中面臨著一定的考驗(yàn)，但更多的是機(jī)遇。對(duì)于工業(yè)來(lái)講，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，歷史也相當(dāng)悠久，其體系也較為成熟和固定。工業(yè)中體量大小差異很大的建、構(gòu)筑物很多，需要滿足的功能要求也多種多樣，各方面的限制因素等都導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樣式要比較靈活，因此鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用必將占據(jù)很大的部分。輔助材料的性能發(fā)展，如防火材料、防腐蝕材料及保溫材料等，也使鋼結(jié)構(gòu)能滿足越來(lái)越高的使用上的要求。隨著時(shí)間的不斷推移，工業(yè)與鋼結(jié)構(gòu)之間形成了一種相互促進(jìn)、互利互惠的關(guān)系。這種關(guān)系也決定了兩者緊密的聯(lián)系。

3 工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

工業(yè)設(shè)計(jì)目前看起來(lái)在軟件的應(yīng)用深度上落后于民用設(shè)計(jì)，但是工業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容對(duì)于一名設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)可能反而是更有挑戰(zhàn)性的。工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)人員的要求更加全面，要求對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式都要比較熟悉，對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系都要有一定理解，基本的結(jié)構(gòu)概念要很清晰。正是因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)內(nèi)容上比較復(fù)雜，因此對(duì)設(shè)計(jì)人的結(jié)構(gòu)基本知識(shí)及對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析能力要求很高。一旦在分析當(dāng)中出現(xiàn)不合理或者有所遺漏的狀況，結(jié)構(gòu)的安全性將會(huì)受到直接的影響。對(duì)于其中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，不同于混凝土結(jié)構(gòu)。在方案設(shè)計(jì)階段，鋼結(jié)構(gòu)可以選擇的結(jié)構(gòu)形式更多，不過(guò)需要考慮的因素也更復(fù)雜：經(jīng)濟(jì)因素、設(shè)計(jì)周期及施工周期、材料采購(gòu)及運(yùn)輸?shù)?。鋼結(jié)構(gòu)一般受力更為明確，也更直接；在靜定結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)體系的完整性和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性都比一般的混凝土結(jié)構(gòu)更高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了結(jié)構(gòu)主體計(jì)算之外需要考慮更多的因素，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、加工、安裝、運(yùn)輸、防火防腐蝕等都要根據(jù)具體的情況選擇不同的方式。

工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)大的結(jié)構(gòu)形式一般包括：框架、排架、網(wǎng)架、剛架等，還包括諸如煙囪等特種結(jié)構(gòu)，以及桁架等較大跨度結(jié)構(gòu)等。工業(yè)改造項(xiàng)目經(jīng)常也是以鋼結(jié)構(gòu)為主，需要根據(jù)具體的形式選擇不同的結(jié)構(gòu)體系或者構(gòu)件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于墻面板、屋面板及平面鋼板作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是不可忽略的，需要我們根據(jù)不同的條件及要求予以考慮。對(duì)于這方面的認(rèn)識(shí)隨著各種概念的不斷成熟，將會(huì)在實(shí)際中有更多的應(yīng)用。除了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系要很熟悉之外，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于單個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算也很重要。在構(gòu)件的計(jì)算中也需要考慮很多的因素：構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算、變形計(jì)算等。在有需要的時(shí)候還要進(jìn)行疲勞計(jì)算，塑性設(shè)計(jì)，動(dòng)力計(jì)算等。在這個(gè)過(guò)程中有很多需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行假設(shè)或者調(diào)整的地方，比如平面內(nèi)外的支撐長(zhǎng)度，剛接鉸接和實(shí)際能達(dá)到的效果的判斷等。最后的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要考慮從最開(kāi)始的計(jì)算條件、制作安裝等全過(guò)程的狀態(tài)，也是使結(jié)構(gòu)實(shí)際與計(jì)算相符合的關(guān)鍵。

4 工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前景

由上面的分析可以看出，工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與民用的差別較大，盡管目前來(lái)看在現(xiàn)代化的計(jì)算理念的深度應(yīng)用上還有很大的進(jìn)步空間，但其對(duì)于設(shè)計(jì)人員的基本知識(shí)及能力要求還是很高的。目前我國(guó)工業(yè)的發(fā)展在轉(zhuǎn)型階段，不過(guò)工業(yè)發(fā)展肯定是不可替代的，因此工業(yè)會(huì)不斷進(jìn)步，工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景也是十分光明的。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在板、殼等的考慮上還有大的提升空間，隨著計(jì)算分析軟件的進(jìn)步，將會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)在保證安全性的前提下經(jīng)濟(jì)性也有很大的提高。目前比較典型的輕鋼結(jié)構(gòu)以其100%可回收的優(yōu)勢(shì)、簡(jiǎn)單快捷的安裝和輕便經(jīng)濟(jì)的用鋼量受到了行業(yè)的青睞。尤其是輕鋼住宅系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的工業(yè)廠房之外，開(kāi)辟了工業(yè)輔助用房領(lǐng)域。目前，輕型鋼結(jié)構(gòu)由于更好的經(jīng)濟(jì)性、設(shè)計(jì)施工的規(guī)范性、良好的美觀效果、環(huán)保節(jié)能，以較高的增長(zhǎng)率快速發(fā)展。

在工業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型后，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必將會(huì)隨之有一個(gè)較大的改變。由于環(huán)境的不斷惡化，我們今天更加注重環(huán)保，提倡綠色建筑。綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。鋼材作為一種可以回收加以重復(fù)利用的環(huán)保建筑材料，無(wú)論是與傳統(tǒng)的材料木材及磚石，還是現(xiàn)在應(yīng)用范圍最廣的鋼筋混凝土材料相比都有很大的優(yōu)勢(shì)，其能在全周期內(nèi)很好的滿足綠色建筑的要求。因此從各方面可以看出，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)設(shè)計(jì)上即將會(huì)有一個(gè)全新的、更為廣闊的發(fā)展。

[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[3]綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.