建筑工程中不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

張志新

（山西五建集團有限公司，山西太原 030000）

0 引言

不銹鋼是建筑工程建設(shè)中重要的建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)也是建筑工程關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)類型，鋼結(jié)構(gòu)施工便捷，施工進度快，可裝配，且鋼結(jié)構(gòu)自身的重量較輕，方便施工人員操作。為進一步提高鋼結(jié)構(gòu)施工便捷程度，優(yōu)化不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。因此，設(shè)計人員結(jié)合建筑工程實際情況優(yōu)化不銹鋼設(shè)計，可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)作用，能夠提高鋼結(jié)構(gòu)使用周期。

1 不銹鋼材料優(yōu)勢

對比發(fā)現(xiàn)，不銹鋼材料中含有一定量的鉻元素、錳元素、鎳元素等，與普通碳鋼材料相比，具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。在建筑工程中實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，不銹鋼材料耐腐蝕效果明顯，可應(yīng)用于橋梁等特殊環(huán)境中；同時，不銹鋼材料耐高溫，可塑性好，方便加工，展現(xiàn)了較好的力學(xué)性能優(yōu)勢。另外，不銹鋼材料可回收，能夠重復(fù)利用，環(huán)保性能優(yōu)，與低碳、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展理念相吻合[1]。但是不銹鋼材料價格相對較高，在建筑工程具體應(yīng)用中，需要考慮經(jīng)濟成本問題，加強對建筑工程總成本的控制和管理。

2 不銹鋼材料在建筑工程中的應(yīng)用情況

2.1 應(yīng)用在圍護結(jié)構(gòu)中

不銹鋼材料滿足了建筑鋼結(jié)構(gòu)材料使用需求，當(dāng)前，不銹鋼材料廣泛應(yīng)用在建筑圍護結(jié)構(gòu)中，此種結(jié)構(gòu)主要是用于建筑外圍防護，進而與外界環(huán)境隔離，保護施工現(xiàn)場，方便施工操作，降低對施工周邊的負(fù)面影響。時間應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼圍護結(jié)構(gòu)防腐蝕性能好，究其原因發(fā)現(xiàn)，其材料優(yōu)勢與美學(xué)特性相關(guān)；在材料生產(chǎn)、加工或是制作過程中，實施了拋光工藝，不銹鋼材料表面光亮，視覺效果好，具有藝術(shù)性和美觀性，廣受建筑行業(yè)青睞，消費者的認(rèn)可度較高[2]。在建筑物外立面安裝不銹鋼板材，可提高裝飾效果，體檢建筑美學(xué)思想，并在鏡面原理下，形成反射效應(yīng)，更好與建筑物融合為一體，無突兀感，增強了視覺傳達設(shè)計效果。

不銹鋼材料本身的強度較高，力學(xué)性能顯著，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，不銹鋼材料強度高于的常規(guī)的鋼材強度，能夠提高鋼結(jié)構(gòu)的承載力水平，可提高建筑物的穩(wěn)定性。因此，在將不銹鋼材料應(yīng)用在建筑圍護結(jié)構(gòu)中切實可行，減輕圍護結(jié)構(gòu)自身重量同時，可減少整體的負(fù)荷，對建筑工程造價成本控制也產(chǎn)生了重要的意義[3]。加之，在較強的抗腐蝕作用下，延長了建筑圍護結(jié)構(gòu)的使用周期，實現(xiàn)了環(huán)保、低碳、經(jīng)濟、綠色目標(biāo)；可進一步擴大不銹鋼材料的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)對此種材料的普及推廣，充分發(fā)揮不銹鋼材料的性能優(yōu)勢。

2.2 應(yīng)用在主體結(jié)構(gòu)中

因不銹鋼材料價值作用顯著，廣泛應(yīng)用在建筑主體結(jié)構(gòu)中，在具體應(yīng)用過程中，呈現(xiàn)的是空間結(jié)構(gòu)視覺，最早使用的是不銹鋼螺栓球等結(jié)構(gòu)形式，基于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)規(guī)模不斷擴大，不銹鋼材料廣泛應(yīng)用在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中。有建筑工程中，將不銹鋼空間桁架結(jié)構(gòu)作為主體稱重結(jié)構(gòu)，使用的構(gòu)件為不銹鋼鋼棒、不銹鋼無縫鋼管等，優(yōu)選等級性能較高的不銹鋼結(jié)構(gòu)材料，并結(jié)合建筑工程實際建設(shè)需求對不銹鋼結(jié)構(gòu)進行深化設(shè)計；在建筑工程中可見不銹鋼球型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，使用的是奧氏體316 不銹鋼材料，此種不銹鋼材料性能高于304 級，屈服強度更高，達到了170MPa，切實滿足了建筑主體結(jié)構(gòu)需求。

3 不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 塑性設(shè)計

建筑工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性越好，安全程度也相對越高，為提升建筑工程不銹鋼結(jié)構(gòu)安全性，運用塑性設(shè)計法切實可行，能夠準(zhǔn)確分析構(gòu)件內(nèi)力結(jié)構(gòu)。分析發(fā)現(xiàn)，塑性設(shè)計方法優(yōu)勢顯著，能夠結(jié)合設(shè)計要求，精準(zhǔn)確定不銹鋼板材的比例尺，進而保證設(shè)計合理。

3.2 容許應(yīng)力法

此種設(shè)計方案，主要是通過計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力，實現(xiàn)對不銹鋼結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計，并基于彈性理論基礎(chǔ)上計算不銹鋼材料的彈性模量，確保鋼結(jié)構(gòu)各項系數(shù)控制在合理范圍。

3.3 極限狀態(tài)法

與其他設(shè)計方法相比，極限狀態(tài)法有明顯的優(yōu)勢，可保證設(shè)計效果，能夠提高設(shè)計效率。在荷載作用力下，能夠確定不銹鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，進而預(yù)測和評估鋼結(jié)構(gòu)被破壞可能性，進而保證設(shè)計質(zhì)量可靠，最大程度上提高建筑工程不銹鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 不銹鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的設(shè)計要點

4.1 優(yōu)選不銹鋼材料

不銹鋼材料本身屬于合金材料，材料中的合金含量不同，其材料性能也存在一定的差異性。研究發(fā)現(xiàn)，建筑工程中應(yīng)用較多的是奧氏體不銹鋼材料，材料型號很多，不同型號的不銹鋼材料輕度、耐腐蝕性等力學(xué)性能也不相同，在具體使用過程中，需要結(jié)合建筑工程實際施工建設(shè)需求選材[4]。同時，強度不同、耐腐蝕強度不一的不銹鋼材料單價也有差別，性能越好的不銹鋼材料，價格越高，具體使用哪種材料，在建筑設(shè)計中，要結(jié)合工程施工建設(shè)環(huán)境、施工條件等因素綜合考量，確保選取的不銹鋼材料滿足工程需求。

4.2 基于不銹鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性深化設(shè)計

為促使不銹鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用可行性，設(shè)計人員在設(shè)計中，要充分考量不銹鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保提高建筑主體結(jié)構(gòu)的安全性，切實提高建筑主體結(jié)構(gòu)的承重力。分析發(fā)現(xiàn)，改變不銹鋼結(jié)構(gòu)截面積可提高材料利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)對工程造價成本的控制，避免浪費不銹鋼材料。工程實踐中應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，細(xì)長構(gòu)件及輕薄的鋼結(jié)構(gòu)容易受外部作用力的影響，會降低鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，甚至是損壞鋼結(jié)構(gòu)。為此，在不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員要科學(xué)計算不銹鋼材料的彈性模量。研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼材料彈性模量因素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性密切相關(guān)，當(dāng)彈性模量越低時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差；當(dāng)彈性模型越高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也越高。進一步分析發(fā)現(xiàn)，彈性模量的大小與應(yīng)利用變相關(guān)。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力增加，不銹鋼材料的彈性模量也開始下降[5]。為此，提高不銹鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為建筑工程設(shè)計中的重中之重。

不銹鋼結(jié)構(gòu)本身是由多個不銹鋼構(gòu)件組裝而成，為保證優(yōu)化設(shè)計，于設(shè)計前，全分析不銹鋼材料穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性具有重要意義。通過分析鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，會避免發(fā)生不銹鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，進而提高鋼結(jié)構(gòu)的荷載作用力，降低了坍塌風(fēng)險，保證建筑工程整體建設(shè)效果。此外，有必要進行整體穩(wěn)定性，考量受力作用對不銹鋼結(jié)構(gòu)的影響，并在設(shè)計環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計偏差，確保不銹鋼各個構(gòu)件滿足安裝要求，減少缺陷，促使設(shè)計與實際施工保持一致。另有研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件穩(wěn)定性直接關(guān)乎到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，任何一個構(gòu)件出現(xiàn)問題，均會影響整體機構(gòu)。為此，對不銹鋼構(gòu)件穩(wěn)定性進行分析和評估，能夠保證不銹鋼結(jié)構(gòu)符合建筑工程施工建設(shè)要求。在評估過程中，避免出現(xiàn)高估或是低估的情況，避免在壓力作用下發(fā)生屈曲現(xiàn)象，盡可能減少對不銹鋼結(jié)構(gòu)整體的影響，確保將不銹鋼構(gòu)件承載力設(shè)計在合理范圍內(nèi)。

4.3 抗震設(shè)計

建筑工程抗震性能直接關(guān)乎到建筑物整體的穩(wěn)定性，關(guān)乎到主體結(jié)構(gòu)的承載力作用。不銹鋼結(jié)構(gòu)作為建筑工程關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)，通過抗震設(shè)計，能夠提高建筑物整體安全性和穩(wěn)定性，保障人們生命財產(chǎn)安全。多項研究已經(jīng)證實不銹鋼材料比普通碳鋼材料性能更高，因此，在抗震設(shè)計方面，設(shè)計人員重點考慮了地震作用力下能力損耗情況。為進一步探究不銹鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的發(fā)生的變化，在具體研究中，通過相關(guān)分析方法，了解了不銹鋼非線性本構(gòu)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，對于相對復(fù)雜的不銹鋼結(jié)構(gòu)，可借助高階方法開展抗震設(shè)計工作；重點加固結(jié)構(gòu)薄弱部位，最大程度上提高不銹鋼結(jié)構(gòu)安全性。

4.4 節(jié)點設(shè)計

不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)較多，設(shè)計內(nèi)容繁雜，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)設(shè)計偏差，均會影響不銹鋼結(jié)構(gòu)性能。對于結(jié)構(gòu)節(jié)點來說，主要作用是連接各個不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，促使多個構(gòu)件科學(xué)組裝，進而構(gòu)件完整的不銹鋼結(jié)構(gòu)，可最大程度上提高結(jié)構(gòu)安全性。在具體設(shè)計過程中，設(shè)計人員嚴(yán)格按照不銹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計原則開展設(shè)計工作，確保降低對各個構(gòu)件的破壞力。

5 建筑工程中不銹鋼結(jié)構(gòu)各個階段設(shè)計要點

5.1 初步設(shè)計環(huán)節(jié)

項目初步設(shè)計主要是對項目開展可行性進行分析，探討經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行情況，并確定項目建設(shè)規(guī)模。進而對建筑工程施工工藝加以明確，制定完善的施工方案和施工組織設(shè)計說明，分析項目投資可行性。并安排專人是深入施工實地進行考察和勘察，收集第一手工程信息，了解工程地段水文地質(zhì)情況，了解施工周邊環(huán)境等，計算工程量，進行不銹鋼結(jié)構(gòu)施工范圍及施工量評估，進而為設(shè)計工作的開展提供科學(xué)依據(jù)。

5.2 技術(shù)設(shè)計

在技術(shù)設(shè)計緩解，重點明確技術(shù)類型、技術(shù)實施標(biāo)準(zhǔn)，明確不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，確定不銹鋼構(gòu)件型號，做好造價預(yù)算管理工作。并邀請項目參建各個單位進行設(shè)計評估，進行設(shè)計圖會審，找出設(shè)計中出現(xiàn)的不合理之處，并及時進行修正，更好協(xié)調(diào)多方，確保設(shè)計方案具有實際執(zhí)行的可行性。

5.3 繪制施工圖

為促使設(shè)計與實際施工相吻合，避免頻繁發(fā)生變更，施工圖繪制過程中，嚴(yán)格按照建筑工程不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行，繪制出完整的剖面圖、平面圖屋頂圖等。通過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，清晰化表達設(shè)計的真實意圖，降低施工人員的理解難度。對重點部位進行標(biāo)注，提醒施工人員注意關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計人員在不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程中，始終秉持著“概念設(shè)計”理念，準(zhǔn)確把握涉及走向，遵循科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計宗旨，確保不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性和經(jīng)濟效益，更好均衡建筑工程的經(jīng)濟效益和社會效益及生要效益，切實將不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)落實到實處。此外，設(shè)計人員將多套設(shè)計方案進行對比，優(yōu)選最佳的設(shè)計方案，既滿足建筑主體結(jié)構(gòu)承載力要求，同時，滿足承載構(gòu)件布局設(shè)計，確保簡化結(jié)構(gòu)，避免增加配筋率，切實提升不銹鋼結(jié)構(gòu)的延性。另外，在不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分考慮了溫度因素的影響，按照均勻、對稱的原則深化設(shè)計，做好極限狀態(tài)演算工作，切實提高不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。

5.4 墻體材料設(shè)計

不銹鋼材料單價較高，但部分建筑單位過于追求項目的經(jīng)濟效益，在不銹鋼材料選擇和使用上，以次充好，在設(shè)計中往往將建筑墻體結(jié)構(gòu)用材更換為彩色的鋼壓板。基于建筑行業(yè)大環(huán)境下，建筑工程中廣泛使用的是V 形板、波穩(wěn)形板墻體材料，在建筑工程中展現(xiàn)了一定的材料性能。但在具體的建筑工程設(shè)計中，需要考慮到建筑墻體材料鋪設(shè)便捷度，要考慮外墻裝飾材料的美觀性和藝術(shù)性，為此，設(shè)計中，要明確材料是縱向鋪設(shè)或是橫向鋪設(shè)；設(shè)計人員首選了玻璃面材料、金屬幕墻材料，如鋁合金板等，并經(jīng)過多重工藝加工制作，最終應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)建筑墻體中。研究發(fā)現(xiàn)，將不銹鋼材料作為墻體裝飾材料，切實可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)材料與設(shè)計的高度融合，實現(xiàn)對工程成本管控同時，提高建筑工程不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性，保證建筑整體施工建設(shè)品質(zhì)。

5.5 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑工程功能設(shè)計也是設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，不同類型的鋼結(jié)構(gòu)建筑，在設(shè)計方面上也存在一定的差異性，要考慮建筑排水問題、采光等功能性問題?；诃h(huán)保、綠色、低碳理念下，部分建筑工程中引入了現(xiàn)代環(huán)保材料輔助不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保滿足建筑功能使用需求，提高建筑物綜合利用率。

5.6 防火防腐設(shè)計

為提高不銹鋼結(jié)構(gòu)防火防腐標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計人員在具體設(shè)計過程中，重點進行不銹鋼結(jié)構(gòu)防腐防火涂裝設(shè)計，旨在最大程度上提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性和耐久性。預(yù)先準(zhǔn)備好防火防腐材料，穩(wěn)定鋼結(jié)構(gòu)自身性能同時，減少鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量通病，進而保證建筑工程整體施工建設(shè)質(zhì)量。

5.7 重視鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計

建筑工程鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計，可預(yù)防質(zhì)量通病的發(fā)生，能夠提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而構(gòu)建更為完善的鋼結(jié)構(gòu)受力體系。通過對不銹鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部分的設(shè)計，進一步完善整體設(shè)計效果。包括材料選擇、構(gòu)件約束力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等，確保設(shè)計符合實際施工要求。尤其是在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計方面，要進行科學(xué)的計算，做好相關(guān)的驗算工作，優(yōu)化構(gòu)件尺寸設(shè)計、厚度設(shè)計，基于不銹鋼材料可塑性視角深化設(shè)計。進行桁架設(shè)計時，要明確桁架腹桿平面內(nèi)部長度和平面外部長度，確保取值合理。計算鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件長細(xì)比時，設(shè)計人員充分運用角鋼最小回轉(zhuǎn)半徑優(yōu)化設(shè)計，進而保證獲取到設(shè)計數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)也更完整。此外，要加強對設(shè)計人員的專業(yè)化培訓(xùn)，普及不銹鋼建材知識，促使設(shè)計人員全面了解不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，掌握設(shè)計技巧，更好將設(shè)計理念融入建筑工程不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為建筑行業(yè)發(fā)展提供保障。

6 結(jié)語

綜上所述，建筑工程中不銹鋼材料性能優(yōu)勢顯著，為建筑工程整體質(zhì)量提升提供了材料保證。通過優(yōu)化不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步提高了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)性和合理性，最大程度上提高建筑結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，減少質(zhì)量通病的發(fā)生，更好提升建筑工程整體施工建設(shè)質(zhì)量。