建筑設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)與應(yīng)用實(shí)踐

張燕飛

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)的應(yīng)用日益廣泛，鋼結(jié)構(gòu)建筑得到快速發(fā)展并成為當(dāng)代建筑造型藝術(shù)的時(shí)尚。由于在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、工期和環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，鋼結(jié)構(gòu)建筑被越來(lái)越多地應(yīng)用到各類建筑中，其憑借獨(dú)特的材料特性，已成為當(dāng)代建筑的重要表現(xiàn)手段。

1.建筑設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

1.1 具有較強(qiáng)的韌性、可塑性

在建筑領(lǐng)域中，鋼結(jié)構(gòu)的可塑性、韌性較強(qiáng)。由于這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，若建筑處于負(fù)載或超載的情況，鋼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作用力的充分分配，使得整個(gè)建筑的應(yīng)力變化幅度得到控制，極大程度地避免了鋼結(jié)構(gòu)斷開(kāi)、裂開(kāi)等問(wèn)題。

1.2 性能好、效益高

在材料、質(zhì)地上，鋼結(jié)構(gòu)整體分布十分均勻，與力學(xué)方面的假定符合度較高。同時(shí)，在內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)上，鋼材料與各項(xiàng)同性契合度更高，其材料波動(dòng)范圍相對(duì)較小，更是在所有建筑材料中具有最理想的彈性。再者，相較于其他建筑工程類型，鋼結(jié)構(gòu)不容易受到環(huán)境、氣候等外界因素影響。在其生產(chǎn)加工上，由工廠內(nèi)部完成加工作業(yè)后直接即可運(yùn)送至建筑工地進(jìn)行組裝，這就決定了其具有更短的工期，且不會(huì)給施工區(qū)域的環(huán)境帶來(lái)較大影響，符合文明施工、綠色施工需求。

1.3 造價(jià)成本低

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用能夠在保證整體安全性、可靠性的前提下，有效地控制成本投入，保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。與鋼筋混凝土的應(yīng)用相比，高層建筑中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的成本消耗相對(duì)較低，且在質(zhì)量上輕于鋼筋混凝土，減少了運(yùn)輸費(fèi)用。鋼結(jié)構(gòu)的便捷性會(huì)加快施工完成進(jìn)度，能夠減少人工、工期等方面帶來(lái)的費(fèi)用[1]。

2.鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的不足

2.1 質(zhì)量控制存在問(wèn)題

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考量多方面內(nèi)容，這就使得整體的設(shè)計(jì)費(fèi)用較高，更需要大量人力資源的投入。同時(shí)，基于鋼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)流程復(fù)雜性較大，完成度不高。部分參與設(shè)計(jì)的單位，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量難以達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，影響了建筑行業(yè)市場(chǎng)。同時(shí)，我國(guó)建筑行業(yè)領(lǐng)域并未形成有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的法律、監(jiān)督機(jī)制，給設(shè)計(jì)質(zhì)量埋下了隱患。

2.2 設(shè)計(jì)方案存在不足

由于具有較高的設(shè)計(jì)成本，其設(shè)計(jì)與承包通常區(qū)分開(kāi)來(lái)，這就導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏一定深度，部分設(shè)計(jì)的實(shí)施難以達(dá)到原有設(shè)計(jì)要求，尤其是柱腳設(shè)計(jì)上容易出現(xiàn)失誤。常見(jiàn)的三種柱腳類型有外包式、外露式、埋入式，外露式常應(yīng)用于民宅設(shè)計(jì)方面。柱腳的剛度主要受到底板的塑性、彈性因素影響，地板變形也會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變，這就需要設(shè)計(jì)人員綜合考量，避免柱腳點(diǎn)被破壞，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)問(wèn)題。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)受火安全性、穩(wěn)定性不足

在鋼結(jié)構(gòu)住宅出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，受到煙氣和火焰的熱作用，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)迅速升溫，在升溫過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫度荷載。在鋼結(jié)構(gòu)受到外力荷載、溫度荷載的共同作用時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、位移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)坍塌，最終導(dǎo)致整體鋼結(jié)構(gòu)安全性不足[2]。

3.鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)方法

工業(yè)建筑是為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的房屋，也可以稱為廠房。在小型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑中，設(shè)計(jì)師需要從工業(yè)屬性出發(fā)，根據(jù)功能要求，選用架構(gòu)空間骨架、平面形狀，打造出既大方又美觀的建筑風(fēng)格。

3.1 功能空間設(shè)計(jì)

出于工業(yè)服務(wù)原因，工業(yè)廠房往往具備多元化的工業(yè)屬性。所以，工業(yè)建筑設(shè)計(jì)，要將基本的工業(yè)功能放在首位。例如，部分工業(yè)建筑需要配備良好的光照設(shè)施，這時(shí)就可以在屋蓋結(jié)構(gòu)增加采光口、采光帶，也可以將下沉天窗設(shè)置在有桁架的上下弦桿件之間，借助桁架端部的收束，創(chuàng)造進(jìn)光口條件。對(duì)于組合式建筑，可以通過(guò)調(diào)整配置、靈活組合，設(shè)計(jì)高側(cè)窗。

3.2 空間結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

3.2.1 門式剛架體系

在門式剛架建筑體系中，建筑骨架由多種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成。相較于其他輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，這一結(jié)構(gòu)更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。在拆除建筑房屋后，可以實(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)利用（利用率超過(guò)90%），能夠滿足中小跨度倉(cāng)庫(kù)、工業(yè)廠房的建筑需求。

3.2.2 格構(gòu)剛架體系

在格構(gòu)剛架結(jié)構(gòu)體系中，輕質(zhì)桿件體系是建筑骨架的主要構(gòu)成部分，整體十分輕盈且通透，復(fù)合夾芯金屬板、幕墻均可以用作圍護(hù)，格構(gòu)式剛架是其主剛架，剛架采用梁柱剛接，是一種二維體系。存在差異的地方是基本梁柱部分，具有單元格構(gòu)化特征，常常采用三角形格構(gòu)剛架。在縱向上，交接的簡(jiǎn)支梁可以連接剛架，為提高整體剛度，可以增加支撐。不同于門式剛架體系，這一結(jié)構(gòu)體系使用格構(gòu)型剛架，結(jié)構(gòu)的荷載能力得到增強(qiáng)，所以支撐體系可以取消。

3.2.3 屋架體系

屋架體系起承擔(dān)屋蓋荷載的作用，其骨架是屋蓋系統(tǒng)，其承擔(dān)的荷載來(lái)自垂直和水平方向，前者包括覆蓋面荷載，后者包括地震、風(fēng)荷載，所以剛度是設(shè)計(jì)中考慮的要點(diǎn)。在屋架系統(tǒng)的構(gòu)成上，需要連續(xù)組合多個(gè)細(xì)小的桿件，這些桿件的軸力負(fù)責(zé)承擔(dān)屋蓋的荷載，增加橫向的建筑跨度，十分契合工業(yè)建筑的要求。屋架系統(tǒng)的構(gòu)成，要使用結(jié)構(gòu)化的桿件體系，再連接下部的受壓柱子進(jìn)行荷載傳遞。通過(guò)縱向的排列布置，由線及面，展示屋蓋下?lián)碛写罅渴褂每臻g。

3.3 空間分隔設(shè)計(jì)

在工業(yè)廠房建筑中，內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)，要保證大且通暢。一般情況下，采用柱子進(jìn)行內(nèi)部空間分隔。對(duì)于中間的大跨部分，適合作為作業(yè)空間，也是廠房的主要使用空間，兩側(cè)設(shè)計(jì)的附屬空間，可以承擔(dān)次要建筑功能、交通功能。

3.3.1 墻體虛實(shí)對(duì)比

格構(gòu)式剛架的使用同時(shí)注重美學(xué)表達(dá)和結(jié)構(gòu)邏輯。所以，既能用作內(nèi)部的建筑圍護(hù)，也可以外露展現(xiàn)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)。

3.3.2 高窗的光線引入

側(cè)高窗的設(shè)計(jì)能夠使工業(yè)廠房擁有良好的通風(fēng)條件，使內(nèi)部建筑空間更具藝術(shù)效果。建筑師可以靈活選取處理方式，對(duì)建筑細(xì)部進(jìn)行設(shè)計(jì)，以增加建筑的透明性，在人造光線、結(jié)構(gòu)的組合下，建筑物內(nèi)外將更具美感。高窗引入光線的模式有四種：

（1）光線通道，比如通過(guò)屋頂三角形桁架，光線可以進(jìn)入室內(nèi)；

（2）通過(guò)減少結(jié)構(gòu)的陰影，保證光線最大化；

（3）通過(guò)模糊、反射改變光線條件；

（4）通過(guò)改變光線增強(qiáng)結(jié)構(gòu)感知。

3.4 表現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在經(jīng)過(guò)格構(gòu)化處理后，門式剛架體系可以形成格構(gòu)剛架，其主要結(jié)構(gòu)形式是桿件體系，既能節(jié)約材料、減輕重量，其強(qiáng)度、剛度也極強(qiáng)，還具有一定美學(xué)欣賞價(jià)值。在格構(gòu)式剛架中，拉桿、壓桿是承受軸力的基本單元，它們的截面尺寸要小于長(zhǎng)度。與實(shí)腹式梁柱體系相比，桿件結(jié)構(gòu)體系的限定空間不足，所以一般用于內(nèi)外的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)架，要實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)外空間的連續(xù)則需要搭配玻璃幕墻。在表露結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，常使用格構(gòu)式體系，其匯集了結(jié)構(gòu)美學(xué)與構(gòu)造美學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，能反映空間建構(gòu)。螺栓連接、焊接是細(xì)長(zhǎng)桿件間的主要連接方式。例如，在阿姆斯特丹的某工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中，建筑師Berthem Crouwel 將橫向支撐與格構(gòu)化的剛架系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，形成了建筑的界面，通過(guò)在過(guò)渡部位增加支撐，使用外附圍護(hù)進(jìn)行掩蓋，將結(jié)構(gòu)建筑的藝術(shù)性展現(xiàn)得淋漓盡致[3]。

3.5 細(xì)部節(jié)點(diǎn)表達(dá)

在鋼構(gòu)架的組成上，外露節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)占據(jù)著重要部分，其主要起到裝飾和表現(xiàn)的效果。所以，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要認(rèn)真地思考裝飾設(shè)計(jì)問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程中，節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)力往往需要精心地設(shè)計(jì)和處理，這樣才能使建筑設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的藝術(shù)表現(xiàn)力。一般情況下，通過(guò)材料、構(gòu)造、技術(shù)等手段，可以實(shí)現(xiàn)裝飾效果。比如，在阿姆斯特丹的某工業(yè)建筑中，在各個(gè)框架上，設(shè)計(jì)了預(yù)制三角形格梁、三個(gè)焊接，螺栓被運(yùn)用在邊角上，在連接材料上，主要運(yùn)用帶有焊接、承壓板的三角形連接板。對(duì)于各個(gè)獨(dú)立的大梁框架，使用位于屋檐高度上的鋼管進(jìn)行連接，相互連接的鋼管具有相同的節(jié)點(diǎn)。從整體上看，邏輯建構(gòu)體現(xiàn)在各個(gè)框架的格構(gòu)化桿件上，再加上縱向鋼管的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的細(xì)部表現(xiàn)得更加精美。在鋼構(gòu)設(shè)計(jì)中，細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和處理是關(guān)鍵，節(jié)點(diǎn)的精致程度，體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展程度，更豐富了鋼結(jié)構(gòu)的空間表現(xiàn)形式。

小型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)，要利用好構(gòu)件本身的細(xì)部節(jié)點(diǎn)，以精致的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)技術(shù)美感，主要的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)有螺栓、鋼索、銷子、拉桿等，形成一個(gè)緊密貼合的整體，能夠使空間給人強(qiáng)烈的感官刺激。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用得到了越來(lái)越多企業(yè)的青睞，這就需要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，確保各方面設(shè)計(jì)的安全性、合理性和可靠性。本文在分析鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，提出了相關(guān)的應(yīng)用和加強(qiáng)應(yīng)用舉措，旨在引起相關(guān)技術(shù)人員和從業(yè)者的關(guān)注。相關(guān)人員應(yīng)不斷加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，在具體設(shè)計(jì)中進(jìn)行創(chuàng)新和完善，為建筑行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展貢獻(xiàn)力量。