建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性與策略

杜智剛

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510630）

0 前言

在建筑行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍以及頻率也得到明顯提高。

建筑鋼結(jié)構(gòu)之所以得到廣泛應(yīng)用主要在于其優(yōu)良的特性，鋼材質(zhì)的延展性以及剛性能夠明顯提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及塑形變形能力[1]。建筑鋼結(jié)構(gòu)雖然得到廣泛的應(yīng)用，可是很多建筑工程在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時卻沒有充分考慮對于后續(xù)施工的影響，對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的忽略導(dǎo)致無法充分發(fā)揮鋼材的獨特性能，嚴(yán)重情況下甚至?xí)驗樵O(shè)計不合理引起建筑鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成安全事故的發(fā)生。因此，相關(guān)工作人員對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，探討能夠有效提高建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的策略。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要價值

建筑鋼結(jié)構(gòu)屬于建筑行業(yè)快速發(fā)展過程的產(chǎn)物，施工人員需要按照設(shè)計圖紙通過焊接、熱軋以及冷彎等工藝使鋼板塑形為建筑工程所需要的鋼形。目前，建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程主要會用到輕鋼結(jié)構(gòu)以及重鋼結(jié)構(gòu)兩種類型，這兩種類型各有千秋，其應(yīng)用范圍也具有明顯的差別。建筑鋼結(jié)構(gòu)的輕鋼具有自重和占用面積均較小的特點，因此在跨度較小的建筑項目會更加偏向于應(yīng)用輕鋼，常見建筑鋼結(jié)構(gòu)如圖1 所示。而建筑鋼結(jié)構(gòu)的重鋼與輕鋼相比其自重明顯更高，在跨度較大的建筑物當(dāng)中重鋼結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用[2]。如今，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的占比逐漸提高，其設(shè)計工作的重要性也在與日俱增。建筑結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計工作不僅會對建筑物整體質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，還會間接影響整個建筑行業(yè)的發(fā)展，同時還會對現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生明顯影響，綜合這兩方面考慮建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。而建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作同樣具有較高的難度，相關(guān)涉及人員除了要嚴(yán)格按照建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)劃進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作外，還應(yīng)當(dāng)充分考慮建筑項目施工性質(zhì)以及相關(guān)的工程圖紙，對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的要點要進(jìn)行充分把握。建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計具有十分明顯的關(guān)聯(lián)性，一旦某一環(huán)節(jié)或者某一構(gòu)件出現(xiàn)設(shè)計問題都將直接影響到整體的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，進(jìn)而會影響建筑工程后期施工質(zhì)量，成為安全事故的誘因。建筑企業(yè)重視建筑項目當(dāng)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作可以在提高建筑質(zhì)量的同時，為建筑企業(yè)市場競爭力的進(jìn)一步提升以及建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供促進(jìn)作用。

圖1 建筑鋼結(jié)構(gòu)

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題

現(xiàn)階段，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作當(dāng)中仍舊存在較多的問題嚴(yán)重降低鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，進(jìn)而制約建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。很多建筑設(shè)計人員對鋼結(jié)構(gòu)特點的了解處于比較表面的狀態(tài)，在設(shè)計過程沒有充分落實鋼結(jié)構(gòu)分析、鋼結(jié)構(gòu)評估以及鋼結(jié)構(gòu)判斷等前期設(shè)計工作，導(dǎo)致很多建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工要求具有一定的距離[3]。建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的內(nèi)容與以往相比變得更難以及更復(fù)雜，因為設(shè)計人員不僅要分析鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力情況，還應(yīng)當(dāng)對鋼結(jié)構(gòu)建筑的外觀承重以及內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分析，這在無形之中提高建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。還有一部分建筑設(shè)計部門并沒有接觸太多鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，所以在設(shè)計工作中會直接將以往磚石結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計經(jīng)驗照搬到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，這給鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性以及安全性都埋下巨大的安全隱患。鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計不僅會影響建筑外觀，同時還會影響所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，很多國內(nèi)的建筑設(shè)計人員會在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程過度參考相關(guān)的國外經(jīng)驗，而國外與我國發(fā)展水平具有一定差異，其鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計過程往往會忽略建筑經(jīng)濟(jì)效益。因此，一味仿照國外鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計對于國家以及建設(shè)部門的經(jīng)濟(jì)效益會造成明顯的負(fù)面影響。除此之外，很多建筑項目當(dāng)中的設(shè)計工作都是通過外包的形式完成的，這不僅明顯降低鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的深度，甚至還會因為分包問題導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案與原設(shè)計要求具有明顯的差別[4]。鋼結(jié)構(gòu)雖然具有諸多優(yōu)勢，可是鋼結(jié)構(gòu)同樣在抗腐蝕性方面存在一定的局限性，如果設(shè)計人員沒有充分考慮建筑地點環(huán)境對于鋼結(jié)構(gòu)的侵蝕性，將會造成鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性問題引發(fā)鋼屋架倒塌等嚴(yán)重安全事故。另外，鋼結(jié)構(gòu)對于溫度也比較敏感，在設(shè)計過程如果忽略使用耐火材料保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)那么在火災(zāi)發(fā)生時建筑材料承載性也會受到嚴(yán)重的負(fù)面影響。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的策略

3.1 工程概況

以某一鋼結(jié)構(gòu)建筑工程為例，對其工程概況進(jìn)行簡單介紹。本建筑工程屬于工業(yè)建筑，總建筑面積為33929.84m2，層數(shù)為單層，無地下室。建筑結(jié)構(gòu)類型為鋼結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為獨立柱基。建筑檐高7.75m，無地下室，抗震等級要求達(dá)到Ⅵ級，地基與基礎(chǔ)要求采用柱下獨立基礎(chǔ)。建筑外墻裝飾采用水泥砂漿分兩次施工，面層為白色外墻涂料。

3.2 設(shè)計策略

在進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時應(yīng)當(dāng)注重建筑梁與柱之間結(jié)構(gòu)設(shè)計要點、次梁與主梁連接結(jié)構(gòu)設(shè)計要點以及柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點等。首先，鋼結(jié)構(gòu)建筑梁與柱之間結(jié)構(gòu)設(shè)計比較關(guān)鍵性的部分為鋼結(jié)構(gòu)承受力要求以及抗震性能的設(shè)計，大部分建筑鋼結(jié)構(gòu)柱設(shè)計都采用貫通型設(shè)計，此時對于鋼結(jié)構(gòu)的承受力設(shè)計應(yīng)當(dāng)進(jìn)行充分考慮，在進(jìn)行梁柱連接設(shè)計時應(yīng)當(dāng)采用剛性連接，以達(dá)到翼緣能夠提高鋼結(jié)構(gòu)受彎承受力，在設(shè)計環(huán)節(jié)使承受力設(shè)計高于梁整體塑形受彎力的1.5 倍，而腹板受剪承受力設(shè)計應(yīng)高于梁兩端所產(chǎn)生施加力的1.4 倍。為了提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計，對于連接結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮梁的全截面塑性模量。次梁與主梁連接點設(shè)計則應(yīng)根據(jù)工程實際情況選擇鉸接結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)。柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點則包含嵌入式柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計以及外包式柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計。

設(shè)計師在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，首先要確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其次還應(yīng)當(dāng)對鋼結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性進(jìn)行充分考慮。設(shè)計師只需要對鋼結(jié)構(gòu)鋼架進(jìn)行穩(wěn)定計算即可，可以免去多層或者中層設(shè)計框架穩(wěn)定性分析工作環(huán)節(jié)。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，設(shè)計師既要充分考慮工程概況，還要運用自己以往的實踐經(jīng)驗以及科學(xué)的理論基礎(chǔ)，盡量增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際應(yīng)用效果。建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程不可忽略的兩個設(shè)計問題便是鋼結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計以及火災(zāi)隱患。為了避免鋼結(jié)構(gòu)受到腐蝕，在設(shè)計工作中可以提前分析和確定在鋼結(jié)構(gòu)周圍噴涂防腐材料或者設(shè)計防腐結(jié)構(gòu)，以此減少鋼鐵腐蝕情況的發(fā)生。鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計除了噴涂相應(yīng)的防火涂料外，還應(yīng)充分考慮混凝土防火保護(hù)、耐火鋼以及防火板保護(hù)設(shè)計等。設(shè)計人員對于鋼結(jié)構(gòu)的每一個部位都應(yīng)進(jìn)行明確，在設(shè)計采用剛才防護(hù)措施的同時，還應(yīng)考慮其使用空間。并且，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作還應(yīng)當(dāng)注重所使用鋼材防護(hù)材料的可靠程度，以及實際施工過程施工場地的順利程度和經(jīng)濟(jì)條件等。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙編制主要包括鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖與鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)施工圖兩部分，這兩部分分別需要設(shè)計方以及鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)分別編制。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖為鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)編制詳細(xì)的施工圖提供良好的基礎(chǔ)，并且提供關(guān)鍵性的內(nèi)容。因此，設(shè)計人員在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖編制時，應(yīng)當(dāng)確保其內(nèi)容和深度的完整性，同時還應(yīng)避免設(shè)計過度冗余情況的發(fā)生。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)充分考慮實際的設(shè)計需求、荷載材料、材料材質(zhì)以及技術(shù)數(shù)據(jù)等內(nèi)容，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖中詳細(xì)標(biāo)識這些內(nèi)容。而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工詳圖則為后續(xù)車間制造與加工鋼結(jié)構(gòu)提供可靠依據(jù)，因此其設(shè)計深度應(yīng)在考慮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖的基礎(chǔ)上充分考慮車間制造與加工的符合性。

4 結(jié)語

綜上所述，建筑鋼結(jié)構(gòu)具有十分明顯的耐用性以及經(jīng)濟(jì)性，其在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用對于建筑行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展起到明顯的促進(jìn)作用。建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅會間接影響建筑行業(yè)的發(fā)展，還會對鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)產(chǎn)生直接影響。建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定持久性，為了進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計人員在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的行業(yè)變化，對于相應(yīng)的施工技術(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，在保證鋼結(jié)構(gòu)建筑施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，為建筑行業(yè)以及鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。