關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)問題的分析

中鐵六局集團(tuán)有限公司 工程設(shè)計(jì)院 北京 100036

摘要：鋼結(jié)構(gòu)工程在我國(guó)起步較晚，尤其是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較少。鋼結(jié)構(gòu)工程以其獨(dú)特的優(yōu)越性，在建筑業(yè)被越來越廣泛的應(yīng)用。但我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，存在著一些問題。所以，如何開展對(duì)此類工程的設(shè)計(jì)工作，成為我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)面臨的新問題。本論文從鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防火防腐問題、鋼結(jié)構(gòu)中建筑物理問題等幾個(gè)方面分析了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的一些問題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；建筑

1.鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展概況

鋼結(jié)構(gòu)建筑已有100多年的發(fā)展歷史，具有自重輕、性能好、施工迅速、工廠化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)，所以鋼結(jié)構(gòu)工程以其強(qiáng)大的優(yōu)越性能，在建筑業(yè)被愈來愈廣泛的應(yīng)用。然而鋼結(jié)構(gòu)工程在中國(guó)起步較晚，特別是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較少，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)尚淺，存有一些問題。所以，鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)方面的工作，是我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)面臨的新問題。針對(duì)設(shè)計(jì)行業(yè)面臨的這些新問題，本論文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)方面的一些問題進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的分析探討。

2.現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)

2.1 建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能一體化，使建筑更具功能化

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)是形象構(gòu)成的重要元素，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，形體，節(jié)點(diǎn)在很大程度上制約并塑造了建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的功能和設(shè)計(jì)中只有做到一體化，方能使建筑功能更優(yōu)越以便后續(xù)的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)順利進(jìn)行，創(chuàng)造出藝術(shù)與技術(shù)融為一體的鋼結(jié)構(gòu)建筑。北京08奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育場(chǎng)投標(biāo)方案中有很多方案都體現(xiàn)出了鋼結(jié)構(gòu)建筑的這種特點(diǎn)。比如，清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院的可開合式方案設(shè)計(jì)，在體育場(chǎng)大屋面中央設(shè)置兩個(gè)半圓型的玻璃頂面，同時(shí)相對(duì)旋轉(zhuǎn)、平行滑動(dòng)完成大屋面的開合。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠滿足超高度和超跨度的要求

鋼材組織均勻，近似于各向同性勻質(zhì)體，強(qiáng)度高，彈性模量亦高。其強(qiáng)度與密度比遠(yuǎn)小于混凝土，磚石或木材。在同樣受力的情況下，鋼結(jié)構(gòu)自重小，進(jìn)而做成高度較高和跨度較大的結(jié)構(gòu)以及靈活的結(jié)構(gòu)形體?，F(xiàn)代人已具備建造高度超過1000米最高到4000米與跨度超過1000米的超大穹頂?shù)某邔咏ㄖ哪芰?。并且膜與鋼索結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成索膜結(jié)構(gòu)體系更能滿足建筑對(duì)跨度的要求，使這類型建筑成為標(biāo)志性建筑。英國(guó)政府為了迎接21th世紀(jì)而興建的標(biāo)志性大型綜合性展覽建筑--倫敦千年穹頂亦是索膜結(jié)構(gòu)體系，它的穹頂直徑達(dá)到320米。

2.3 原材料能循環(huán)使用，有助于環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展

我國(guó)的能源與資源都日益短缺，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于中國(guó)有著意義重大，因?yàn)槲覈?guó)是世界上最大的混凝土建筑與磚砌體建筑國(guó)家。鋼材是一種高效能高強(qiáng)度的材料，具有高再循環(huán)價(jià)值及邊角料價(jià)值，無(wú)需制模施工。當(dāng)前國(guó)際上的新型住宅產(chǎn)品已進(jìn)入我國(guó)，其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

2.2.1 該類型住宅采取全封閉式保溫隔熱防潮系統(tǒng)，熱損失低，溫差變化小。各種季節(jié)都具備舒適的居住環(huán)境。在室外溫度達(dá)到30℃的情況下，室內(nèi)溫度僅在21℃左右；室外0℃時(shí)，室內(nèi)仍可保持17℃以上。

2.2.2 相比磚混結(jié)構(gòu)住宅，可節(jié)能60%以上，冬夏季空調(diào)設(shè)備可節(jié)約耗電三分之一，結(jié)構(gòu)的廢舊利用率為100%；相比磚混結(jié)構(gòu)，同樣樓層凈高條件下，鋼結(jié)構(gòu)維護(hù)墻體面積較小，節(jié)約空調(diào)所需能源，減小維護(hù)花費(fèi)。

3.鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，在各類型的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定性問題。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的失穩(wěn)事故多數(shù)是由于設(shè)計(jì)者缺乏經(jīng)驗(yàn)，不了解結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性，對(duì)如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確認(rèn)識(shí)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不該有的薄弱部位。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)明確鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本概念，方能更好地處理鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。

3.1 強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別

強(qiáng)度問題屬于應(yīng)力問題。穩(wěn)定問題則與強(qiáng)度問題不同，它本質(zhì)上屬于變形問題。如軸壓柱，因?yàn)槭Х€(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，所以柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的原則

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下二項(xiàng)基本原則：

（1）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相匹配。在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)的時(shí)候，經(jīng)常不進(jìn)行框架穩(wěn)定分析而以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算代之。采取此種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)該從框架整體的穩(wěn)定分析得出，這樣方能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架各式各樣，在設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型假定。根據(jù)這些假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)及桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，通常是根據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或典型情況得出，設(shè)計(jì)者必須明確所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確地應(yīng)用。

（2）結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必需互相配合，使兩者一致。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑界非?？粗氐膯栴}。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)該分別賦予它足夠的柔度與剛度，對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心，這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)必須考慮到的。然而，在涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。比如，簡(jiǎn)支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在處理梁整體穩(wěn)定的時(shí)候，上述要求顯得并不足夠，支座仍必須能阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁端截面自由翹曲和梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以便符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

4.圍護(hù)結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計(jì)

檁條的設(shè)計(jì)可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 和 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（簡(jiǎn)稱《輕鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程》）相關(guān)條文的要求進(jìn)行平面內(nèi)及平面外穩(wěn)定、強(qiáng)度、變形等計(jì)算，但對(duì)檁條平面外計(jì)算長(zhǎng)度起決定作用的斜拉條、拉條、撐桿的布置概念比較模糊，特別是斜拉條如何設(shè)置、在何處設(shè)置撐桿等不是很清晰。如《輕鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程》第6.3.5條已清楚規(guī)定當(dāng)檁條跨度大于6米時(shí)，應(yīng)在檁條跨度三分點(diǎn)各設(shè)一道拉條（或撐桿），斜拉條應(yīng)與剛性檁條連接。前者要求一般能達(dá)到，但對(duì)于斜拉條的連接及撐桿的設(shè)置通常被設(shè)計(jì)者忽視。曾有設(shè)計(jì)者將斜拉條上端固定在柔性檁條上，且最上端兩根檁條間的拉條仍設(shè)置為柔性拉條。對(duì)于對(duì)稱屋面的檁條布置是有條件的，就是屋脊處兩邊的兩根檁條必需連在一起，考慮兩側(cè)檁條的拉力平衡；但對(duì)于不對(duì)稱的屋面來說，因?yàn)閮蓚?cè)拉力不能平衡，無(wú)論從傳力還是受力角度來說，這樣的布置顯然是錯(cuò)誤的。因此，決定檁條側(cè)向計(jì)算長(zhǎng)度的撐桿、拉條、斜拉條的布置必須具體問題具體分析，并于計(jì)算假定相一致。

《輕鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程》第6.4.3條非常清楚地規(guī)定在最上層墻架處宜設(shè)斜拉條，將拉力傳至承重柱或墻架柱上。實(shí)際上，作者認(rèn)為屋面檁條側(cè)向斜拉條的設(shè)置完全可按墻架檁條斜拉條的方式設(shè)置，同時(shí)最上端檁條與其相鄰的檁條間設(shè)置剛性撐桿即可，而無(wú)需將最上端檁條改為剛性檁條，通過斜拉條將拉力直接傳至屋面梁或桁架弦上。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，部分設(shè)計(jì)者對(duì)屋面或墻架最上端檁條的側(cè)向支撐，如撐桿、拉條、斜拉條能正確設(shè)置，但對(duì)中間墻面或屋面，如屋面風(fēng)機(jī)開孔處、門窗洞口、屋面天窗（采光窗）等，經(jīng)常只設(shè)拉條，而漏設(shè)撐桿與斜拉條等，根本無(wú)法將拉條上的拉力傳至承重結(jié)構(gòu)上。根本原因在于對(duì)撐桿、拉條、斜拉條的傳力作用及途徑不清楚，同時(shí)也是對(duì)規(guī)范條文一知半解，從而給圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來安全隱患。

5.鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防火防腐問題

5.1 鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防火問題

火災(zāi)是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑最大的危害，盡管鋼材是燃燒材料，但不耐火，溫度在400℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半，溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材將基本失去全部剛度與強(qiáng)度，所以當(dāng)建筑采用無(wú)防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，一旦火災(zāi)發(fā)生，建筑很容易損壞，從以往發(fā)生的鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)案例中，可以察覺兩種現(xiàn)象，一種是防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中沒能達(dá)到規(guī)定的耐火時(shí)間而破壞，另一種防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中超過了預(yù)期耐火時(shí)間而并沒有破壞。建筑的構(gòu)造防火問題通常在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上容易解決，然而在鋼結(jié)構(gòu)建筑上則須考慮更多的元素。下面介紹兩種常用的防火措施：一是根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的部位不同分別采用厚型或薄型的防火涂料，并在露明部位加涂裝飾漆；二是采用進(jìn)口的新型防火板—保全板。

5.2 鋼結(jié)構(gòu)中建筑設(shè)計(jì)的防腐問題

如果鋼材長(zhǎng)期暴露在室外受到風(fēng)雨等自然力的侵蝕，生銹老化，則它的自身承載力會(huì)下降，建筑的美觀亦會(huì)受到影響。所以防腐問題也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)需要解決的問題，當(dāng)前的做法主要是采用新型防腐和構(gòu)造材料。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工程師在遇到鋼結(jié)構(gòu)建筑中對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑都作出特別的要求，比如涂刷防銹涂料或防火涂料。通常防火涂料做法是先刷紅丹防銹底漆兩度，再刷鋼結(jié)構(gòu)面漆兩度（面漆顏色由甲方定）。其次，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工也有明確的要求，比如構(gòu)件出廠前涂紅丹防銹底漆一道。鋼結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整后，將其清洗干凈，再刷一度底漆，兩度面漆。盡管現(xiàn)在市面上存在各種各樣的防腐涂料，但是較為有效的防腐涂料仍需進(jìn)口。筆者覺得，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷強(qiáng)大，將會(huì)生產(chǎn)出更優(yōu)秀的新型防腐涂料。

6.鋼結(jié)構(gòu)中建筑物理問題

6.1 保溫

外部環(huán)境對(duì)建筑的熱輻射主要從2個(gè)方面影響建筑的熱環(huán)境：一是被建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸收，其間一部分熱量通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)逐步進(jìn)入室內(nèi)；二是透過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，并被室內(nèi)表面所吸收，產(chǎn)生了加熱效果。因?yàn)椴ＡЭ梢宰岅?yáng)光直接射入室內(nèi)從而迅速升高室溫，特別是隨著新型玻璃材料的不斷涌現(xiàn)，玻璃的熱工性能逐漸改良，建筑采光與建筑保溫之間的矛盾已慢慢淡化，“遮蔽”與“阻隔”趨于平衡。因此，對(duì)建筑的保溫措施主要集中在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，目前對(duì)此有2種較有效的解決辦法：

（1）防止保溫材料凝結(jié)水外保溫和中間保溫作法?？煞乐贡夭牧弦?yàn)檎羝臐B透積累而受潮。內(nèi)保溫作法則保溫材料可能在冬天受潮，外保溫可避免主要承重結(jié)構(gòu)受到室外溫度的劇烈波動(dòng)影響，進(jìn)而提高其耐久性。外保溫作法對(duì)外表面的保護(hù)層要求較高內(nèi)保溫與中間層保溫則由于外表面是由強(qiáng)度大的密實(shí)材料組成，飾面層的處理比較容易。

（2）優(yōu)化、研制保溫材料的構(gòu)造，提高建筑熱環(huán)境性能。比如在建筑物得內(nèi)外表面或外層結(jié)構(gòu)的空氣層中，采取高效反射材料，可將大部分的紅外射線反射，進(jìn)而對(duì)建筑物起到保溫和隔熱作用。其次，還可運(yùn)用新型節(jié)能墻體，高效節(jié)能玻璃，硅氣凝膠材料促進(jìn)到節(jié)能的效果。

6.2 吸音

在某些建筑大廳特別是在音樂廳中，頂棚反射板增加的反射聲幾乎瞬時(shí)到達(dá)聽眾的雙耳，缺乏側(cè)向反射帶來的圍繞感。在此類建筑的設(shè)計(jì)中，須綜合考慮材料的應(yīng)用，包括吸聲性能和裝飾性、防火、強(qiáng)度、加工、吸濕等多個(gè)方面。目前廣泛地應(yīng)用于噪聲控制和音質(zhì)設(shè)計(jì)中的解決途徑是吸聲結(jié)構(gòu)與吸聲材料。

（1）吸聲結(jié)構(gòu)：材料本身可不具備吸聲特性，但材料制成某種結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生吸聲，比如穿孔石膏板吊頂。

（2）吸聲材料：材料本身具有吸聲特性。比如巖棉等纖維、玻璃棉或多孔材料具有良好的吸聲性能，因?yàn)榭諝獾恼硿枇?、孔隙壁和空氣分子的摩擦，使聲能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能而吸聲。

（3）隔音。噪聲于建筑密不可分，噪聲污染的治理和防治已成為建筑聲學(xué)重要的組成部分。噪聲控制、噪聲規(guī)劃等理論也逐步演化開來。人們可以聽到的聲音都屬于聲環(huán)境范疇。人們可以聽到鳥鳴、歌聲、音樂、談話、泉水叮咚等；但也能聽到機(jī)器轟鳴、吵鬧、車輛的轟鳴等噪聲。但主要是有安靜要求的房間，比如演播室、錄音室、居民住宅臥室、旅館客房等建筑對(duì)隔聲隔振要求十分高，須專門的聲學(xué)設(shè)計(jì)。對(duì)于公用建筑、旅館、民用住宅人們對(duì)安靜的要求也愈加重視。并盡量靠近聲源，提高隔聲效果。一般隔聲間外墻使用隔聲性能較好的結(jié)構(gòu)或材料，如混凝土、磚、紙面石膏板墻等等，觀察部分使用隔聲窗，進(jìn)出部分使用吸聲迷道或隔聲門等。

結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)工程是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型。鋼結(jié)構(gòu)已愈來愈廣泛地被應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)將是未來結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流方向。然而，鋼結(jié)構(gòu)施工還存有不少問題亟待研究解決，如何做到設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)適用、施工安全將是留給廣大科研設(shè)計(jì)施工人員永續(xù)的問題。筆者相信，只要合理規(guī)劃，加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，積極組織，行業(yè)、政府、企業(yè)共同努力，產(chǎn)、學(xué)、研緊密結(jié)合協(xié)作，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將必定會(huì)更加興旺。

參考文獻(xiàn)：

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