探究建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題

湯偉方

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210009

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)階段主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。結(jié)構(gòu)主要是由型鋼和鋼板組成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架部件所組成。同時(shí)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)要進(jìn)行硅烷化、純錳磷化、水洗烘干、鍍鋅等方式的除銹操作。鋼構(gòu)件之間通常是運(yùn)用焊接、螺栓、鉚釘?shù)确绞竭M(jìn)行連接。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的建筑材料質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更大、便于施工，所以被廣泛地應(yīng)用于廠房、場(chǎng)館等建筑之中。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

建筑鋼結(jié)構(gòu)指的是以鋼材作為主要的受力構(gòu)件。通過在使用前進(jìn)行加強(qiáng)工藝處理，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的承載能力和良好的穩(wěn)定性能，在現(xiàn)代化建筑行業(yè)中有廣泛的關(guān)注和運(yùn)用。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，各種用途的建筑物也是越建越多。當(dāng)前建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)良好，鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)成了不可忽視的發(fā)展方向。要重視鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕、防震、連接構(gòu)造的多元化發(fā)展，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)方案，給鋼結(jié)構(gòu)建筑物的施工提供更多合理的操作方式?，F(xiàn)階段，建筑鋼結(jié)構(gòu)在建筑使用的占比越來越大。但是由于當(dāng)下建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)存在許多的漏洞，造成了許多不可忽視的問題。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化問題

我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑還沒有形成相對(duì)穩(wěn)定、全面的發(fā)展行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系使用的地域性差異和企業(yè)差異，很難將鋼結(jié)構(gòu)的使用構(gòu)建出標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化體系。與此同時(shí)，因?yàn)橐徊糠謴?qiáng)制性的行業(yè)條文，使得建筑鋼結(jié)構(gòu)體系的使用非常勉強(qiáng)。在鋼結(jié)構(gòu)使用的過程中，主觀意識(shí)非常的強(qiáng)烈，但沒有非常嚴(yán)格地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致當(dāng)下的建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展體系相當(dāng)?shù)幕靵y。

1.2 相關(guān)專業(yè)人員的知識(shí)欠缺

我國鋼結(jié)構(gòu)起步較晚，但是整個(gè)行業(yè)的發(fā)展十分的迅速。雖然在現(xiàn)階段已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，但是由于沉淀的時(shí)間不夠，所以沒有建立起完善的行業(yè)知識(shí)體系。行業(yè)內(nèi)部缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得鋼結(jié)構(gòu)的使用沒有更加科學(xué)詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范。在施工過程中使用人員對(duì)于市場(chǎng)行情缺少精準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)，給后續(xù)的工程發(fā)展帶來了許多麻煩。專業(yè)的人員對(duì)于市場(chǎng)的基礎(chǔ)了解不足，直接導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的后期使用的質(zhì)量得不到保證。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循的原則

2.1 保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)因素，不論是采用哪一種設(shè)計(jì)方式，穩(wěn)定性都是其核心要求。如果鋼結(jié)構(gòu)建筑或者構(gòu)件之中出現(xiàn)了穩(wěn)定性的問題，不僅會(huì)引發(fā)許多的安全問題，甚至?xí)斐山ㄖ锏膿p壞和人員傷亡。在設(shè)計(jì)過程中要強(qiáng)化專業(yè)設(shè)計(jì)人員的安全意識(shí)，更加嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)待鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。在國內(nèi)外存在許多因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的安全事故的例子，主要的原因都是在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺陷。專業(yè)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)于設(shè)計(jì)概念的模糊敷衍以及在對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱位置的判定不清，這些都是設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷的基礎(chǔ)原因。

2.2 明確構(gòu)件受力情況

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者要清楚地知道各種外力在構(gòu)件上的作用情況，明確作用點(diǎn)到基礎(chǔ)的傳遞路徑和傳遞過程中所產(chǎn)生的力的效應(yīng)，即要在設(shè)計(jì)過程中考慮到構(gòu)件之間的分工和協(xié)同工作。

2.3 體現(xiàn)出計(jì)算和構(gòu)造的一致性

在建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中計(jì)算數(shù)據(jù)要和構(gòu)造達(dá)到一致性，依據(jù)建筑物的載荷特點(diǎn)以及其自身的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。特別要注重的是鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能的設(shè)計(jì)，保證從各個(gè)方面都要符合建筑的要求。

2.4 控制建筑的高度

在采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑物設(shè)計(jì)過程中，要嚴(yán)格把控建筑的高度，一般不能超過35m。假如鋼結(jié)構(gòu)建筑搭建的過高，很容易在地震過程中受損，甚至造成人員傷亡。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)可以分為高層和低層2種，大多數(shù)別墅都采用的是低層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高層的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更多的應(yīng)用于公寓等。鋼結(jié)構(gòu)有著自重輕、強(qiáng)度好、工業(yè)化程度高的明顯優(yōu)勢(shì)，在建筑行業(yè)中被廣泛地使用。鋼結(jié)構(gòu)建筑在優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)約資源、循環(huán)利用等方面也有明顯的作用，為創(chuàng)設(shè)綠色、可持續(xù)的建筑行業(yè)做出很大的貢獻(xiàn)。實(shí)際上，鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的發(fā)展也受到自身弊端的影響，導(dǎo)致的設(shè)計(jì)和施工方面都出現(xiàn)了許多的質(zhì)量方面的問題。

在一些重型的廠房建筑的設(shè)計(jì)和修建中，也會(huì)運(yùn)用到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。常見的有冶金、造船、機(jī)械制造等。因?yàn)檫@些建筑的特點(diǎn)是跨度大、高度大、噸位大，建筑的設(shè)計(jì)還要進(jìn)行耐久性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，使用鋼結(jié)構(gòu)無疑是最佳的選擇。大跨蓋屋的結(jié)構(gòu)，在提供了寬敞的內(nèi)部空間的同時(shí)，也容易設(shè)計(jì)成為造型優(yōu)美、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足內(nèi)部造型固定的要求。在地震帶之上的鋼結(jié)構(gòu)建筑要遵循抗震設(shè)計(jì)理念，一般以框架-支撐、框架-剪刀墻結(jié)構(gòu)作為抗側(cè)力體系的主要手段。這樣不僅能增強(qiáng)建筑的抗震能力，也可以提供不同的設(shè)計(jì)思路。

4 鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能實(shí)際上并沒有想象的那么優(yōu)秀，在結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)中表現(xiàn)得更加明顯。大多數(shù)的小高層結(jié)構(gòu)布置達(dá)不到設(shè)計(jì)的規(guī)則要求，直接導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能不及格。建筑的彈性設(shè)計(jì)和彈塑性層間位移等結(jié)構(gòu)驗(yàn)算都不能滿足抗震規(guī)范的要求，直接影響了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)的建筑受力體系沒有明確的考核細(xì)則，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的不同建筑樓層都沒有詳細(xì)的分析說明。在一般設(shè)計(jì)過程中，選定鋼結(jié)構(gòu)框架支撐體系如何節(jié)省鋼材，如何在設(shè)計(jì)方面提升抗震性能都沒有精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)中，最常忽略的就是和其他建筑材料的銜接度的考量。在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方案中，鋼結(jié)構(gòu)都是以獨(dú)立的形式存在建筑物的設(shè)計(jì)之中，這不僅影響了建筑的施工，還在一定程度上影響了建筑物整體性能的提升。設(shè)計(jì)的目的肯定是建筑物的修建，但是由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的片面性，后期的施工過程中造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題，給建筑施工方帶來了很多的困擾。在設(shè)計(jì)層面出現(xiàn)質(zhì)量問題，給施工中的焊接、涂料、下料、裝配等方面留下了許多的安全隱患。

鋼結(jié)構(gòu)的建筑抗震計(jì)算仍處于不成熟的階段，驗(yàn)算條件和驗(yàn)算方法都無法滿足節(jié)點(diǎn)和支撐點(diǎn)的要求。在受彎鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定工作中，由于設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)難度大，造成了很多的施工問題。大量鋼材的生產(chǎn)過程存在明顯的質(zhì)量問題，常見的是內(nèi)部夾層問題。在鋼材制造的過程中，要嚴(yán)格執(zhí)行國家有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)于技術(shù)上的缺陷積極改進(jìn)，保證生產(chǎn)的鋼材能夠安全地運(yùn)用在鋼結(jié)構(gòu)建筑之中。

針對(duì)設(shè)計(jì)工程比較緊的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)院會(huì)外包給其他的加工企業(yè)，導(dǎo)致不能保證設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院中承擔(dān)一線設(shè)計(jì)工作的大都是缺乏經(jīng)驗(yàn)的年輕人，他們?nèi)狈υO(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)方案的外在因素考慮不足。他們只是憑借學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，照搬模板設(shè)計(jì)方案。完成的設(shè)計(jì)方案往往會(huì)顯得簡(jiǎn)單粗陋，節(jié)點(diǎn)處最長采用的是“全焊接節(jié)點(diǎn)”和“全鑄鋼節(jié)點(diǎn)”，忽略了連接方式的實(shí)用性和安全性。加工的技術(shù)人員在拿到設(shè)計(jì)方案之后，對(duì)于設(shè)計(jì)方案的原始意圖不能很好地理解，造成生產(chǎn)出來的構(gòu)件存在質(zhì)量問題。

5 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中解決問題的有效措施

在鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)中，要充分地考慮到材料自身的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。結(jié)合材料的綜合因素，提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)的過程中，要對(duì)于設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行仔細(xì)的研究和分析，采取更加有效的改進(jìn)方案，進(jìn)而促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的發(fā)展。

增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震性能，從平面設(shè)計(jì)的層面進(jìn)行思考。力求在設(shè)計(jì)的過程中，保證平面的規(guī)則、對(duì)稱。平面形狀要保證建筑物支撐剪力墻以及高樓層的，彈性水平位移和質(zhì)心的水平位移達(dá)到平衡。在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中，要強(qiáng)調(diào)剪刀墻的配置調(diào)整。設(shè)計(jì)者在最初就要重視連接構(gòu)件的重要性，這樣才不會(huì)因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的不合理而造成建筑物的安全隱患。

針對(duì)屋面的載荷取值，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案要嚴(yán)格遵循對(duì)于樓板的要求。在保證樓板平面內(nèi)的剛度、整體性、承載力、隔音效果的同時(shí)，還要保證水平力可以均勻傳遞到每一個(gè)柱子之上。要從整體層面上提升樓板的整體性，要選用鋼梁來形成組合梁，在梁上要設(shè)置鋼釘。在強(qiáng)震區(qū)域的建筑設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)焊接要留在預(yù)制的埋件之中，提升樓板的抗震性能。

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之中，為了保證荷載的支撐度和傳力方向的一致性，在設(shè)計(jì)方案的初期就要做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)算。設(shè)計(jì)人員在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中要依據(jù)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)來進(jìn)行計(jì)算，并密切結(jié)合專業(yè)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。把鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范更多的融合到平常的設(shè)計(jì)工作之中，逐步地提升工程的質(zhì)量。

6 結(jié)語

綜上所述，雖然鋼結(jié)構(gòu)在建筑施工中被廣泛地使用，但是在設(shè)計(jì)過程中的問題不能夠輕視。想要提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的工程質(zhì)量，還是要從設(shè)計(jì)的層面就消除隱患。相關(guān)的工作人員，要結(jié)合現(xiàn)階段建筑物鋼結(jié)構(gòu)使用的情況，從不同的方面去找尋鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題的原因。綜合分析實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，充分掌握建筑鋼結(jié)構(gòu)體系，從根本上保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。