對(duì)建筑中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

劉濤

摘要：隨著現(xiàn)代建筑的不斷發(fā)展，鋼材已成為普遍的建筑新型材料.以鋼結(jié)構(gòu)為主體的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)建筑成為城市的主體。如何更好的設(shè)計(jì)出符合新時(shí)代要求的銅結(jié)構(gòu)建筑已成為的建筑工作者的工作重要突破點(diǎn)。本文將對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行深入研究與探討。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)；分析

1鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的前景

自改革開放以來，中國建筑業(yè)一直在保持高速增長，鋼結(jié)構(gòu)建筑作為其重要分支，也作為新世紀(jì)引領(lǐng)尖端建筑的肱骨，在新時(shí)期的建筑行業(yè)里面一枝獨(dú)秀，其擁有非常遼闊的前景。在國家政府鼓勵(lì)用鋼政策的指導(dǎo)下，鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢(shì)得到廣泛重視并迅速推廣，從以前的重大工程、標(biāo)志性建筑使用鋼結(jié)構(gòu)到如今的鋼結(jié)構(gòu)被普遍使用。目前我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有國際領(lǐng)先水平，其體量及工程建設(shè)規(guī)模均是屬世界空前，其發(fā)展在我國呈現(xiàn)出一片極好的發(fā)展事態(tài)。鋼產(chǎn)品和建筑鋼材品種的增加也為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，1996年我國的鋼鐵產(chǎn)量就突破了一億噸，成為世界上的鋼鐵大國。在“十二五”規(guī)劃綱要里面，2015年建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)，是爭(zhēng)取每年全國建筑鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量達(dá)到鋼材總量的6%。同時(shí)在各種鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)如各種反面襯墊方法的雙面成型單絲和多絲埋弧焊、龍門架工字梁雙側(cè)雙絲快速焊接生產(chǎn)線以及各種高效焊接材料的運(yùn)用推廣，為鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展奠定了堅(jiān)買的基礎(chǔ)。

2鋼結(jié)構(gòu)建筑的缺點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)作為一種新的材料，其造價(jià)相對(duì)于傳統(tǒng)的磚混和鋼混來說當(dāng)然會(huì)高一些。同時(shí)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅以其特有的鋼骨架和墻體，屋面等材料以及標(biāo)準(zhǔn)化、定型化的內(nèi)部布局和配套設(shè)施，不能再任由人們?cè)谏厦妗霸偌庸ぁ?，很難適應(yīng)群眾往日對(duì)住房可“任意處理”的習(xí)性，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)已經(jīng)將房屋按設(shè)計(jì)分割好了，不能再在上面“穿墻鑿洞”了。雖然與混凝土結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)存在很多的優(yōu)點(diǎn)，但是由于施工條件的限制，在施工的過程中受到各種因素的制約，在使用鋼結(jié)構(gòu)的過程中也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的問題，在工程建筑中應(yīng)認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)存在的問題，及時(shí)采取措施進(jìn)行規(guī)避，保證工程建筑的整體質(zhì)量。

2.1鋼建筑材料自身存在的缺點(diǎn)

與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的最大弱點(diǎn)就是耐腐蝕性和抗火性較弱，因此若果在施工的過程中溫度超過150攝氏度，那么鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)問題。在建筑的過程中就需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，而這些隔熱設(shè)施的使用又會(huì)增加建筑的成本，所以在具體的工程建筑過程中，應(yīng)該根據(jù)工程施工的具體情況，選取結(jié)構(gòu)材料。另外，雖然鋼結(jié)構(gòu)就有較高的強(qiáng)度，但是在鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，通常選取強(qiáng)度較低的構(gòu)件，且這些構(gòu)件的橫截面多是以薄壁的形式出現(xiàn)，使建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性受到了限制。在具體的施工中通常容易出現(xiàn)只重視鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性忽視了其強(qiáng)度的充分發(fā)揮，造成建筑材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，工程的整體質(zhì)量也得不到保證。

2.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的缺陷

在鋼結(jié)構(gòu)的建筑施工過程中，還存在設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象，使鋼結(jié)構(gòu)的各種特性不能得到充分發(fā)揮，增加了鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，因此在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中必須遵循一定的設(shè)計(jì)原則，保證工程建筑的穩(wěn)定性，規(guī)避在建筑過程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成的不利影響，保證工程建筑的質(zhì)量。

3鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)成功地運(yùn)用實(shí)例。為保證鋼結(jié)構(gòu)建筑合理有效的產(chǎn)生，良好精確的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的兩大步驟是正確選擇結(jié)構(gòu)方案和正確估計(jì)結(jié)構(gòu)的截面高度。

3.1鋼結(jié)構(gòu)預(yù)算的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要十分準(zhǔn)確的計(jì)算估計(jì)。以國家大劇院為例，國家大劇院由法國建筑師保羅·安德魯主持設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方為法國巴黎機(jī)場(chǎng)公司。國家大劇院建筑屋面呈半橢圓形，其結(jié)構(gòu)：212mx143m，跨度>100m，結(jié)構(gòu)方案選屋蓋空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼。但在上機(jī)前，結(jié)構(gòu)師把結(jié)構(gòu)的截面高度選得太大，用鋼量高達(dá)292kg/㎡。根據(jù)1963年美國教授史密斯（smithM.G）對(duì)166個(gè)已建大跨度屋蓋進(jìn)行的回歸分析，這種跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過80kg/㎡。故而在采取建設(shè)的時(shí)候，需對(duì)其精確核實(shí)才能避免錯(cuò)誤產(chǎn)生。

3.2鋼結(jié)構(gòu)建筑整體與局部精細(xì)設(shè)計(jì)

建筑的設(shè)計(jì)不僅僅在于外觀上的美感，還在于建筑間的互相協(xié)調(diào)能力。鋼結(jié)構(gòu)建筑也是建筑的一種，它在具有鋼結(jié)構(gòu)建筑特殊性的同時(shí)也具有普通建筑的一般性。所以在滿足鋼結(jié)構(gòu)特個(gè)性設(shè)計(jì)的同時(shí)，也必須滿足一般建筑的共性。由于鋼結(jié)構(gòu)的特殊性，通常在建造鋼結(jié)構(gòu)建筑的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致部分細(xì)節(jié)部位出現(xiàn)偏差或者裸露在外。因而在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的時(shí)候，為力求建筑形象和建筑功能的完美結(jié)合的同時(shí)，設(shè)計(jì)復(fù)雜化和工程精細(xì)化也更加嚴(yán)苛。鋼結(jié)構(gòu)建筑具有牽一發(fā)而動(dòng)全身的特點(diǎn)，每一個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、制作、完成都有可能牽涉到整體的形成和完善。有的時(shí)候?yàn)榱梭w現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑獨(dú)特的金屬感，而將其部位、部件裸露在外。這樣會(huì)更加增加建筑的難度。因而在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，細(xì)節(jié)的把握是至關(guān)重要的。對(duì)整個(gè)建筑而言，細(xì)節(jié)的較高質(zhì)量將會(huì)帶來更好地整體效果，為人們展示更美好的形象。

3.3鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)原有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行變革，并遵循一定的設(shè)計(jì)原則。在設(shè)計(jì)的過程中，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)勢(shì)，同時(shí)規(guī)避鋼結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，使工程建筑的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，保證工程建筑的整體質(zhì)量。

3.3.1建筑鋼結(jié)構(gòu)主體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則

在建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該將鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度區(qū)分開來，因?yàn)樵趯?shí)際的建筑過程中，只有將二者區(qū)分開來，才能保證鋼結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中一定要以全局的眼光來進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的整體布局，只有這樣才能保證工程建筑的整體穩(wěn)定性，同時(shí)還要保證鋼結(jié)構(gòu)的每一個(gè)布局的穩(wěn)定性，因?yàn)樵诠こ探ㄖ倪^程中，鋼結(jié)構(gòu)的整體與局部是相互依存的，在具體的設(shè)計(jì)過程中，可以在保證鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的情況下，設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件，來保證工程建筑的整體穩(wěn)定性。

在建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖和計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖必須在一致的情況下進(jìn)行，因?yàn)樵阡摻Y(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)中只對(duì)框架柱的穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不對(duì)每一層框架做穩(wěn)定性分析，造成這種現(xiàn)象的原因是在工程建筑的過程中，涉及到眾多的框架，在實(shí)際的工作中對(duì)每一個(gè)框架都做穩(wěn)定性分析是不現(xiàn)實(shí)的，所以在工程設(shè)計(jì)的過程中，通常計(jì)算框架柱的穩(wěn)定性，因?yàn)樵趯?shí)際的計(jì)算過程中，框架柱的穩(wěn)定性與框架的穩(wěn)定性是一致的。在進(jìn)行框架柱穩(wěn)定性的計(jì)算時(shí)，需要用到柱長度計(jì)算系數(shù)。但是在實(shí)際的計(jì)算過程中，往往容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)的框架不符合實(shí)際條件，使框架柱的計(jì)算無法具體實(shí)行。

在鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造上也應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致的穩(wěn)定型設(shè)計(jì)，同樣鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件穩(wěn)定性也應(yīng)該被充分的考慮在內(nèi)。在構(gòu)件的細(xì)部設(shè)計(jì)上，如果對(duì)細(xì)部的傳遞彎矩與不傳遞彎矩之間的節(jié)點(diǎn)有具體的要求，應(yīng)該在充分考慮構(gòu)件柔韌性與剛性的情況下，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的不同強(qiáng)度要求作出具體的計(jì)算。

3.3.2建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)過程中，必須先了解設(shè)計(jì)過程中的特點(diǎn)，只有這樣才能保證工程設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。首先，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)過程中，要在鋼結(jié)構(gòu)的整體上進(jìn)行充分分析，保證各個(gè)鋼件的穩(wěn)定性。在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)過程中，軸心壓桿的穩(wěn)定性計(jì)算通常采用折減系數(shù)法或是臨界壓力求解法，這兩種計(jì)算方法，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)及整體剛度的計(jì)算具有重要作用。在鋼結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性計(jì)算中，應(yīng)該首先應(yīng)用柔性構(gòu)件的第二階分析法，因?yàn)樵趶椥越Y(jié)構(gòu)的計(jì)算中柔性構(gòu)件的彈性會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的情況下進(jìn)行計(jì)算，使鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到保證，彈性較大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也能得到保證，且使這部分建筑結(jié)構(gòu)的精確度更高。

3.3.3在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)過程中，不能一味的采取統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該充分考慮工程建筑的具體情況。比如，如今的工程建筑可以分為多層建筑和低層建筑，建筑物的層數(shù)不同，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的要求是不同的，通常只有12層以下的建筑材料適用于鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)對(duì)稱的建筑，保證建筑工程在遇到地震時(shí)，具有較高的穩(wěn)定性，對(duì)建筑的損壞降到最低。

在鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)過程中，還應(yīng)保證鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性及強(qiáng)度能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)構(gòu)件的厚度和長度的比值，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性最強(qiáng)的構(gòu)件。如果鋼構(gòu)件在鋼結(jié)構(gòu)整體失效前已經(jīng)發(fā)生了屈曲，則需要通過鋼構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度來增加構(gòu)件整體的承載力。在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的過程中，還可以借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)一些復(fù)雜的計(jì)算，計(jì)算機(jī)比人的計(jì)算準(zhǔn)確度更高，同時(shí)也提高了鋼建筑穩(wěn)定性計(jì)算的效率，可以將其作為鋼建筑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的輔助工具。

4鋼結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展

中國是日前世界上最大的建筑業(yè)大國，其建筑的修建多以混凝土和磚體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，根據(jù)國建建設(shè)部、發(fā)改委指出，新時(shí)期的建筑要符合十二五綱要的可持續(xù)發(fā)展。相比于普通的混凝土和磚體的不可循環(huán)利用，鋼結(jié)構(gòu)材料完全突破了這一點(diǎn)，即便是無法利用上的邊角材料，在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域里面也是可以再次加以利用的。同時(shí)它還具有節(jié)能高效環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)良特點(diǎn)，在相同的混凝土建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑里面，鋼結(jié)構(gòu)建筑的溫度變化小，不受外間環(huán)境變化而劇烈變化，結(jié)構(gòu)相對(duì)更加輕便簡(jiǎn)潔，同樣的使用面積的建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑的占地面積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土建筑的建筑面積。通過對(duì)能源、土地使用資源等各方面對(duì)原始材料的節(jié)約和可再生的利用，能更好地減少生產(chǎn)、維護(hù)費(fèi)用。

5結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是藝術(shù)與實(shí)用的雙重結(jié)合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者在確保安全的情況下保證平面的布局規(guī)整，完成了建筑體在受力性的干擾下不會(huì)存在很嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。所以在工程建筑的過程中，應(yīng)該盡可能的發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的積極作用，重視鋼建筑的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，同時(shí)在建筑的過程中應(yīng)及時(shí)規(guī)避缺點(diǎn)，保證工程建筑的質(zhì)量，只有這樣才能保證我國建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。