探析我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃及發(fā)展

何力

（四川蜀道城鄉(xiāng)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610000）

0 引言

近年來，隨著對建筑市場的日益增長，對建筑品質(zhì)的要求也越來越高。建筑鋼結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)新興的工程技術(shù)，它已經(jīng)在國內(nèi)逐步占有一席之地，但從目前的狀況來看，我國的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況并不理想，與歐美發(fā)達(dá)國家的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平還有很大的差距，并且還存在著許多問題，必須予以關(guān)注和克服，使得鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用中能夠發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)概述

1.1 建筑鋼結(jié)構(gòu)

建筑鋼結(jié)構(gòu)和其他的建筑相比，它有自己的優(yōu)點(diǎn)，那就是鋼材的強(qiáng)度更高，韌性更好，自重更輕，施工速度快施工周期短。在我國的建筑設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)的比重逐年遞增，已成為我國建筑結(jié)構(gòu)中使用最多的一種。因此，從穩(wěn)定性、效益性等方面考慮鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

1.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分類

1.2.1 剛性連接節(jié)點(diǎn)

（1）拼合的橫梁。梁的拼接一般分為兩種：①螺栓聯(lián)結(jié)。②焊接接頭。從剛性上來說，前者要比后者更小，但前者可以制造出更好的焊接接頭，而且可以保證質(zhì)量。后者剛性較強(qiáng)，通常用于工廠裝配。

（2）將梁柱連接起來。通常，梁和立柱之間采用的是端面板連接。即采用兩塊結(jié)構(gòu)部件之間的端板進(jìn)行連接，一般用于低層、高層框架結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量好、抗震性能好、無須現(xiàn)場焊接等特點(diǎn)。

（3）立柱與立柱之間的連接。通常，根據(jù)柱子截面的改變，可分為柱身變段拼接和等截面柱體的拼接兩類。一般情況下，采用第二種方法連接立柱和立柱。

1.2.2 半剛性連接節(jié)點(diǎn)

對于半剛性連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)承載能力與連接構(gòu)件承載能力比較，節(jié)點(diǎn)承載能力較大；然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于這種連接方式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系，使得連接節(jié)點(diǎn)的彈性剛度比連接構(gòu)件的彈性剛度要大，因此半剛性連接節(jié)點(diǎn)并未應(yīng)用。

1.2.3 鉸接連接節(jié)點(diǎn)

主梁與副梁的聯(lián)接。大部分都是簡單的連接，但如果建筑要求比較高，就可以采用剛性連接，但這種方法比較復(fù)雜，因?yàn)榇瘟翰恍枰靡砭?，因此，這種連接方式很受設(shè)計(jì)者的歡迎。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）除采用允許應(yīng)力方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的計(jì)算外，其他設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以概率理論為依據(jù)。

（2）所有的承重結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)考慮兩種情況，即承載力極限和正常使用極限。

（3）在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)建筑物的不同特征，對其安全級別的要求進(jìn)行綜合考慮，并運(yùn)用相關(guān)系數(shù)，反映在荷載作用下。

（4）在將承載力極限狀態(tài)相結(jié)合的情況下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)或連接時(shí)，往往要根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮荷載作用的影響。

（5）在正常使用極限條件下，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求，采用不同的載荷組合。

（6）在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)該采用允許應(yīng)力方法。

（7）在選用鋼時(shí)，應(yīng)綜合考慮受力條件、環(huán)境位置和施工工藝等因素。

（8）在選擇鋼種時(shí)，應(yīng)注意一系列的指標(biāo)，例如拉伸強(qiáng)度和含碳量等[1]。

2 我國建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展存在的問題

2.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體水平有待提升

按照住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)專項(xiàng)資質(zhì)管理暫法》的規(guī)定，從事輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)專項(xiàng)資質(zhì)的單位，必須取得輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)專項(xiàng)資質(zhì)證書后，方可承擔(dān)相應(yīng)的業(yè)務(wù)?？梢姡瑖鴥?nèi)對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來越高，但由于國內(nèi)工程設(shè)計(jì)院的數(shù)量和人員的短缺，而建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求日益增長，使得設(shè)計(jì)工作十分繁重，由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且造價(jià)也比較低廉，因此有些設(shè)計(jì)院把鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)委托給其他設(shè)計(jì)單位或企業(yè)，而這些單位或企業(yè)由于資質(zhì)或能力不強(qiáng)，在建筑鋼結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)上缺少專業(yè)知識，對鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)不夠透徹，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)盲目、混亂、不符合規(guī)范。一些設(shè)計(jì)單位正在將全鑄鋼、全焊接等項(xiàng)目交給生產(chǎn)廠家，但由于許多工廠缺少相應(yīng)的計(jì)算設(shè)備，沒有掌握好設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)材料的適用性低、質(zhì)量差，同時(shí)也造成了大量的鋼材資源浪費(fèi)，甚至出現(xiàn)質(zhì)量事故。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自主創(chuàng)新能力不足

相對于世界先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，國內(nèi)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還存在著自主創(chuàng)新能力不足的問題，在設(shè)計(jì)上存在著仿冒式的問題，沒有根據(jù)我國的國情進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，特別是在遇到高難度、復(fù)雜的建筑項(xiàng)目時(shí)，設(shè)計(jì)人員或設(shè)計(jì)人員的自主性和自主性的不足，造成設(shè)計(jì)上的保守和設(shè)計(jì)的深度不夠，在設(shè)計(jì)時(shí)，增加重要系數(shù)的取值，采用一級全熔透焊縫，420MPa、490MPa 的強(qiáng)度，以及一些單位和設(shè)計(jì)者過分追求經(jīng)濟(jì)效益，忽略將建筑鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)和焊接工藝與工程實(shí)際結(jié)合起來，造成工程建設(shè)中大量采用構(gòu)件，增加設(shè)計(jì)費(fèi)用，避免工程材料浪費(fèi)，增加施工成本，影響建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的持續(xù)健康發(fā)展[2]。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不夠完善

我國目前對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)還處于研究和充實(shí)階段，有關(guān)的規(guī)范還不完善，施工行業(yè)對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的監(jiān)督和管理還很欠缺。目前，我國鋼鐵工業(yè)已研制出Q235GJ、Q345GJ 等多種性能優(yōu)良的厚板，其延性、沖擊韌性、低厚板效應(yīng)、焊接性能等指標(biāo)均符合鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求，而《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》（GB/T 19879—2005）對鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了修訂，但由于目前國內(nèi)對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還沒有進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，致使建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用受到了很大的限制。

2.4 設(shè)計(jì)過于保守

過分保守或過分先進(jìn)，不適當(dāng)?shù)仉S意提升設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，或降低設(shè)計(jì)安全級別有些設(shè)計(jì)者對復(fù)雜的工程沒有經(jīng)驗(yàn)，心里沒有底，盲目地追求高標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于保守，隨意增加安全級別，對構(gòu)件不區(qū)分輕重緩急，對重要系數(shù)隨意增加，桿件“應(yīng)力比”的取值過低；不加區(qū)分的焊縫等級均采用一級全熔透焊接；鋼的等級不論其使用狀況和部位均采用C、D 級；鋼的強(qiáng)度等級不論是否需要任意使用420MPa、490MPa 的高強(qiáng)度鋼；在不認(rèn)識“焊接殘余應(yīng)力”的基礎(chǔ)上，誤把“殘余應(yīng)力”排除在外。由于以上原因，常常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸過大，投資大幅增長，這些都是不合理的設(shè)計(jì)方案所致。

3 鋼結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計(jì)中問題的解決對策

3.1 在設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)管理

因?yàn)樵诮ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，所牽扯到的范圍比較廣，所以，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要有一個(gè)比較健全的監(jiān)管體系來作為參照，并加以約束。另外，在不同的環(huán)境和使用情況下，也會有特定的設(shè)計(jì)需求，需要在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，針對這些需求制定出相應(yīng)的方案。與此同時(shí)，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，在對承包單位進(jìn)行資質(zhì)審核的時(shí)候，也要對其進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，只有這樣，設(shè)計(jì)人員才能做出更有深度、更有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)方案，才能保證最后的房屋質(zhì)量。從而從本質(zhì)上確保了設(shè)計(jì)的方案更能滿足顧客的要求，從而保障了它的科學(xué)性和合理性；從總體上改善了鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)品質(zhì)，并在建設(shè)過程中提高了工作效率。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

對于鋼架來說，它雖然有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，但是長期暴露在濕氣和水里，還是會受到腐蝕。所以，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的防腐性能，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化其耐腐蝕性，然后在鋼結(jié)構(gòu)表面涂上具有良好的耐水性和粘附性的涂料，從而進(jìn)一步增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的防水性能。另外在建筑工程的安全管理過程中，安全防火是一個(gè)很重要的方面，因此，在設(shè)計(jì)過程中，要將鋼結(jié)構(gòu)的防火性能提高，在進(jìn)行設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員要深入建筑的施工現(xiàn)場，對其進(jìn)行實(shí)地考察，并按照有關(guān)的法規(guī)和具體的情況，制定出一個(gè)合理的鋼結(jié)構(gòu)防火方案，并與建筑的特征相結(jié)合，對鋼結(jié)構(gòu)的位置、防火材料的性能、防護(hù)后鋼結(jié)構(gòu)的承重進(jìn)行評價(jià)，并對防護(hù)措施的經(jīng)濟(jì)預(yù)算、施工的方便性、占用空間的大小等因素進(jìn)行考量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的抗震加固，避免火災(zāi)發(fā)生后，因火災(zāi)而導(dǎo)致的倒塌，從而加大滅火的難度。

3.3 優(yōu)選設(shè)計(jì)法提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

（1）用允許應(yīng)力方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，最常見的一種方法就是允許應(yīng)力法，它的目的就是為了保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的整個(gè)受力系統(tǒng)的合理性，從而防止在每一個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生不穩(wěn)定等問題。在使用容許應(yīng)力法來對建筑鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該將有關(guān)的計(jì)算與分析工作做得很好，對鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力有一個(gè)較為詳盡的了解，尤其是要保證設(shè)計(jì)要符合鋼結(jié)構(gòu)材料的承載要求，避免因?yàn)槌休d力不夠而導(dǎo)致變形、坍塌等現(xiàn)象發(fā)生。

（2）用極限狀態(tài)方法進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，使用極限狀態(tài)法也是一種較為常用的方法，它的目的是對建筑鋼結(jié)構(gòu)的極限承載狀態(tài)進(jìn)行分析，從而對其載荷需求有一個(gè)清晰的認(rèn)識，然后再采取一些合理的措施對其進(jìn)行平衡，從而確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。過去，在進(jìn)行鋼混結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往僅注重于安全，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。針對這一點(diǎn)，如果使用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么不僅可以保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠度，而且還可以對塑性變形、材料斷裂等問題起到更好的規(guī)避控制作用，從總體上提高了建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）用塑性法進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。塑性設(shè)計(jì)法也屬于建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的一種常見的方法，它的主要內(nèi)容就是對鋼結(jié)構(gòu)材料的各個(gè)組成單元展開細(xì)致的分析，從而保證結(jié)構(gòu)具有理想的塑性效果和強(qiáng)度，從而防止在長期使用的過程中，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺損、材料斷裂等問題。與此類似，在實(shí)際運(yùn)用過程中，塑性設(shè)計(jì)法也要首先對建筑鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部力用力及內(nèi)力分配效果展開詳細(xì)的分析，然后才可以找到合理的結(jié)構(gòu)處理方法，以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.4 提高設(shè)計(jì)隊(duì)伍的素質(zhì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員扮演著重要的角色，他們的技術(shù)水準(zhǔn)和職業(yè)素質(zhì)直接影響到了設(shè)計(jì)的品質(zhì)，因此，需要建立一支專業(yè)化的設(shè)計(jì)隊(duì)伍，并對設(shè)計(jì)人員開展定期的培訓(xùn)，讓他們掌握自己的專業(yè)知識，并且要對他們進(jìn)行嚴(yán)格的考核，將他們的成績與工作業(yè)績聯(lián)系起來，以此來推動設(shè)計(jì)人員持續(xù)提高自己的素質(zhì)；此外，公司也鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師們到外地去進(jìn)修、考察，開闊眼界，將最新的鋼結(jié)構(gòu)理論與實(shí)踐相結(jié)合，以提高其性能；另外，在有條件的情況下，還可以從外面引入一些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員，為我們的設(shè)計(jì)隊(duì)伍補(bǔ)充新的血液，從而提高我們的整體實(shí)力。

4 我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展展望

4.1 設(shè)計(jì)理念更新

雖然我們的建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的比較晚，但是我們的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，隨著環(huán)保的發(fā)展，我們的環(huán)保意識也在不斷的提升，我們將會在未來的發(fā)展中，不斷的提升鋼鐵的使用效率，在不斷提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的功能的基礎(chǔ)上，降低了資源的浪費(fèi)，從而達(dá)到了建筑行業(yè)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4.2 自主創(chuàng)新能力發(fā)展

隨著鋼結(jié)構(gòu)在施工中的應(yīng)用越來越廣泛，建筑鋼結(jié)構(gòu)人才的培養(yǎng)也越來越受到業(yè)界的重視，除了強(qiáng)化設(shè)計(jì)單位的培訓(xùn)之外，許多大學(xué)都在開設(shè)建筑鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)的課程，另外，鋼結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)的品種、性能、質(zhì)量要求的提高，使得我國鋼鐵工業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、制造鋼結(jié)構(gòu)用厚板材料的能力逐漸提高，某些品種的性能甚至超過了日本、美國，這些優(yōu)質(zhì)鋼材為國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的保障。

4.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐步完善

建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼的質(zhì)量有很高的要求，但有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)范并不統(tǒng)一，如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的焊接、防火、防腐等方面的檢測和監(jiān)理水平與國際上的水平相差甚遠(yuǎn)，所以，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)盡快完善有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)監(jiān)理、質(zhì)檢、監(jiān)理等部門的工作積極性，加強(qiáng)設(shè)計(jì)單位的資格，建立健全的法規(guī)體系，對設(shè)計(jì)單位進(jìn)行規(guī)范，并將其與科學(xué)全面的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相結(jié)合，為設(shè)計(jì)單位、鋼鐵企業(yè)等提供實(shí)際有效的參考[3]。

4.4 增強(qiáng)總評規(guī)劃能力

只有在實(shí)際工作中，我們才能對計(jì)劃的知識有更深入的了解，并具有實(shí)際操作的能力。另外，盡量多地了解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想動態(tài)及趨勢，力求使設(shè)計(jì)師與投資商之間達(dá)到最好的協(xié)調(diào)，以便更好地與甲方進(jìn)行交流。作為設(shè)計(jì)者，首先要根據(jù)國家有關(guān)法規(guī)、地方政府制定的容積率、建筑密度等進(jìn)行宏觀調(diào)控；其次，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的建筑師應(yīng)該能夠決定建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑風(fēng)格、消防通道、社區(qū)道路等[4-5]。

5 結(jié)語

我國的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對現(xiàn)代建筑的發(fā)展起著舉足輕重的作用，鋼結(jié)構(gòu)已被廣泛地應(yīng)用于建筑工程，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展迅速，然而，我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體水平還不夠高、自主創(chuàng)新能力較弱、鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)安全需要提高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范不完善等問題。我國的建筑設(shè)計(jì)單位和人員，在長期的發(fā)展中，應(yīng)不斷更新設(shè)計(jì)觀念，增強(qiáng)自主創(chuàng)新的能力，同時(shí)，國家相關(guān)部門也需要完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以推動我國建筑設(shè)計(jì)、技術(shù)的不斷進(jìn)步。