民用多、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題分析

黃禹銘

華藍(lán)設(shè)計（集團）有限公司 廣西 南寧 530000

鋼結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式之一，在多、高層民用建筑中更是得到了廣泛應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)形式具有許多優(yōu)點，例如自重輕、有良好的耐久性、穩(wěn)定性和抗震性能等，這些優(yōu)勢使其在各種功能的建筑中占據(jù)了越來越重要的地位。為了讓鋼結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢，滿足結(jié)構(gòu)可靠性的基本原則，使其符合安全性的要求，基于此，開展民用多、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題的分析研究就顯得尤為必要。

1 鋼結(jié)構(gòu)民用中高層建筑的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土民用建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)民用中高層建筑具有非常明顯的優(yōu)勢。

抗震性能好是最顯著的優(yōu)勢之一。由于鋼結(jié)構(gòu)具有較好的彈性性能和塑性變形能力，能夠在地震等自然災(zāi)害中保持較好的穩(wěn)定性和安全性，有效減少地震對建筑和人員的損害。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工周期也相對較短。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑采用工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝的方式，可以大大縮短施工周期，提高施工效率，從而降低施工成本，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的空間利用率也較高。由于鋼結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)大跨度、大開間的設(shè)計，使得建筑內(nèi)部空間得到充分利用，減少空間浪費，提高空間的利用率和實用性。同時，鋼結(jié)構(gòu)建筑也更容易實現(xiàn)個性化設(shè)計，滿足不同用戶的需求。

維護成本低也是鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)點之一。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑材料堅固耐用，使用壽命長，因此維護成本相對較低。相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑的維護成本更低，節(jié)省了用戶的維護費用。

鋼結(jié)構(gòu)建筑還具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點。建筑材料可以回收再利用，減少資源浪費，同時也能夠減少建筑的能耗，達到環(huán)保節(jié)能的效果。這種環(huán)保節(jié)能的建筑方式符合當(dāng)前社會對于可持續(xù)發(fā)展的要求，為人們提供更加健康、舒適、安全的居住環(huán)境。

鋼結(jié)構(gòu)建筑還具有美觀大方的外觀特點。這種建筑外觀簡潔大方，線條流暢，具有現(xiàn)代感和科技感，能夠滿足人們對于建筑美學(xué)的需求。這種美觀大方的建筑風(fēng)格也為城市增添了更多的特色和魅力。

2 民用多、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要遵循的原則

雖然和傳統(tǒng)鋼筋混凝土民用建筑結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)民用建筑在很多方面都有非常顯著的優(yōu)勢，但在實際設(shè)計中依然需要嚴(yán)格遵循多項原則，才能設(shè)計出高質(zhì)量、高品質(zhì)，符合現(xiàn)代居民生活所需的民用建筑。在民用多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循以下原則：

安全性原則：鋼結(jié)構(gòu)建筑必須嚴(yán)格遵循安全性原則，確保建筑在面臨各種自然災(zāi)害和人為因素影響時，如強烈地震、狂風(fēng)大雪、意外爆炸等，能夠穩(wěn)固可靠，不會出現(xiàn)危及人身安全和財產(chǎn)損失的情況。為此，鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計和施工必須經(jīng)過精密的計算和嚴(yán)密的論證，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

經(jīng)濟性原則：鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮經(jīng)濟性原則，以實現(xiàn)建筑成本的最小化和建筑效益的最大化。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計人員需要對材料的選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、施工方法的確定等進行全面的考慮和分析，在保證建筑質(zhì)量和安全的前提下，盡可能降低施工難度和成本，提高建筑的性價比。

美觀性原則：鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計應(yīng)注重外觀美觀，體現(xiàn)出現(xiàn)代感和科技感。建筑師需要充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維，將鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點和優(yōu)勢巧妙地融入到設(shè)計中，使其在視覺上呈現(xiàn)出獨特的魅力和時代氣息。同時，還要注重建筑與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，使建筑與自然環(huán)境相得益彰，營造出和諧美好的視覺效果。

耐久性原則：鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計必須考慮其耐久性，確保建筑在長期使用過程中保持良好的狀態(tài)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計時需對材料進行精心選擇，并選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和防腐、防火等措施，以延長建筑的使用壽命。此外，針對可能出現(xiàn)的問題和缺陷，設(shè)計人員還需制定相應(yīng)的應(yīng)對措施和技術(shù)保證體系，確保建筑的長期穩(wěn)定性和可靠性[1]。

施工可行性原則：鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計必須充分考慮施工的可行性。在確定結(jié)構(gòu)形式和施工方案時，設(shè)計人員應(yīng)深入了解現(xiàn)場施工條件和工藝流程，盡可能選擇易于實施、便于操作的施工工藝和方法。同時，設(shè)計人員還需對施工過程中的質(zhì)量管理和安全監(jiān)控等方面提出明確要求，以保障建筑施工的順利進行和質(zhì)量安全。通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，提高施工效率，降低施工成本，實現(xiàn)設(shè)計與施工的良性互動。

3 民用多、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題

3.1 結(jié)構(gòu)布置設(shè)計問題

對于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，鋼結(jié)構(gòu)布置非常重要。只有合理的鋼結(jié)構(gòu)布置才能夠保證高層建筑在進行設(shè)計時能夠充分發(fā)揮其自身的優(yōu)勢。因此，必須要對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的布置進行科學(xué)合理的規(guī)劃，確保高層建筑能夠按照其自身特點進行設(shè)計。通常來說，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計時會受到很多因素的影響，這些因素都可能對鋼結(jié)構(gòu)的布置造成影響[2]。比如，當(dāng)高層建筑使用的材料比較多時，在對其進行設(shè)計時就需要考慮到這些因素，只有這樣才能保證鋼結(jié)構(gòu)布置在符合國家規(guī)范的前提下滿足使用要求。

由于高層建筑在進行設(shè)計時需要考慮到很多因素，所以在對其進行設(shè)計時需要保證其合理性。比如：高層建筑高度、樓層數(shù)量、柱距以及風(fēng)荷載等因素都會對其產(chǎn)生影響，只有保證這些因素能夠達到國家規(guī)定的要求時才能保證高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。要想保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量得到有效提升，還需要保證高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中不會受到外界因素影響[3]。比如：如果高層建筑中出現(xiàn)了一些異常問題就需要及時采取措施進行處理，否則將會對整個工程造成嚴(yán)重影響。

3.2 結(jié)構(gòu)高度設(shè)計問題

高度設(shè)計是民用中高層鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的重中之重，若在實際設(shè)計中高度問題沒有得到有效解決和處理，會危機到民用建筑的穩(wěn)定性和安全性。在現(xiàn)行的民用建筑設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定，民用鋼結(jié)構(gòu)建筑的類型不同，抗震設(shè)防烈度不同，則最大的適用高度也不相同，具體如表1所示：

表1 中高層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)類型、抗震設(shè)防烈度、最大適用高度表

按照表1中的規(guī)定，在進行民用多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高度設(shè)計中，需要同時考慮民用建筑的抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r、施工技術(shù)水平、建筑科研水平等多個方面。而且這些數(shù)據(jù)普遍具有很強的權(quán)威性，在設(shè)計中必須嚴(yán)格遵循，同時這也和現(xiàn)如今如果土木工程規(guī)范體系并沒有任何沖突。但在實際設(shè)計中，一些房地產(chǎn)開發(fā)商，為獲得更大的經(jīng)濟效益，在高度設(shè)計時經(jīng)常會打破現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高限制高度。比如：上海標(biāo)志性建筑金茂大廈，由多個結(jié)構(gòu)體系共同組成，其高度達到了驚人的420m。此外，中信廣場雖然是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但其高度也達到了322m。為最大限度上保證民用建筑總體結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，需要設(shè)計人員在實際設(shè)計中能夠?qū)Τ呦藿ㄖ茖W(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、負(fù)責(zé)的態(tài)度，避免在地震、暴雨、暴雪等自然災(zāi)害，以及偶然荷載突增的情況下，致使超高限建筑工程出現(xiàn)較大的形變，影響民用建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，甚至引起安全事故，造成難以挽回的損失[4]。這就要求在進行民用多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須嚴(yán)格按照現(xiàn)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)控制設(shè)計高度，若必須超過規(guī)范允許的高度，需要進行多方位的分析論證，并采用高質(zhì)量、高性能材料，各構(gòu)件之間的連接方式，以及連接效果需要嚴(yán)格選擇和檢查，以提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 連接構(gòu)造設(shè)計問題

鋼結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造設(shè)計主要包括焊接連接和螺栓連接，由于螺栓連接的成本低、效率高，因此在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用廣泛。但由于目前我國對螺栓連接的構(gòu)造設(shè)計研究不夠深入，因此在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中依然存在許多問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性受到影響。

3.3.1 螺栓連接的構(gòu)造設(shè)計

由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工難度較大，因此對螺栓連接的構(gòu)造要求也比較高。尤其是在高層建筑中，螺栓連接主要用于梁和柱的焊接連接，如果安裝過程中出現(xiàn)問題，將會對整個工程造成影響。因此，在進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要重視對螺栓連接構(gòu)造設(shè)計的研究，螺栓連接通常采用T型、L型、Z型等形狀的螺栓進行安裝和焊接，如果這些形狀的螺栓無法保證其穩(wěn)定性和可靠性，則會對整個工程造成影響。因此必須要對其進行改進和優(yōu)化。若采用了螺栓連接方式，在每個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力應(yīng)滿足表2中的規(guī)定：

表2 每個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力表（kN）

3.3.2 焊接連接的構(gòu)造設(shè)計

目前我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的是焊接連接方法，但由于焊接技術(shù)還不夠成熟、規(guī)范也不夠完善等原因，使得鋼結(jié)構(gòu)在施工中經(jīng)常出現(xiàn)一些問題。例如，在高層建筑中使用焊接方法時可能會出現(xiàn)一些安全隱患。此外，由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工難度較大，因此在施工過程中可能會出現(xiàn)一些問題，這就需要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對其進行深入研究和分析。需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的特點，選擇合適的焊接方式，常用的焊接方式有焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊以及先進的機器人自動化焊接。每種焊接方式都有其獨特的應(yīng)用范圍和需要結(jié)合實際情況進行合理選擇。選擇好焊接方式后，就可以進行鋼結(jié)構(gòu)接頭形式的選擇，常見的鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式包括對接、搭接、頂接三種，其中對接和搭接是最為常用的接頭形式，施工技術(shù)也比較先進。頂接的難度比較大，因為在進行頂接施工中，焊縫接縫后的收縮，會引起節(jié)點鋼板發(fā)生層間拉應(yīng)力，若焊接的母材比較厚，需高度重視產(chǎn)生層間撕裂，若板厚超過40mm，除了需要加強對鋼結(jié)構(gòu)的保護之外，還需按照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的焊接材料，板厚方向的斷面收縮率不應(yīng)超過焊接材料標(biāo)準(zhǔn)Z15級規(guī)定的允許值，在鋼結(jié)構(gòu)民用建筑中容易發(fā)生層間撕裂的節(jié)點進行改造，并盡量選擇屈服強度比較小的焊條。

3.4 防火設(shè)計問題

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計是保證其正常使用的前提，同時也是保證建筑安全的重要措施之一。而目前我國在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方面還存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，防火分區(qū)設(shè)計不合理。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火分區(qū)設(shè)計主要包括以下幾個方面：一是在防火分區(qū)內(nèi)部需要設(shè)置防火墻，但是現(xiàn)在我國在這方面還存在一些問題[5]。比如，有些防火分區(qū)內(nèi)部沒有設(shè)置防火墻，甚至有些防火分區(qū)內(nèi)部還有防火門等。二是對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)進行耐火極限劃分不合理，導(dǎo)致高層建筑鋼結(jié)構(gòu)無法正常使用。其次，設(shè)計不符合要求。比如，對鋼結(jié)構(gòu)進行耐火極限劃分不合理，導(dǎo)致高層建筑在發(fā)生火災(zāi)時無法及時對其進行保護；另外，設(shè)計不符合規(guī)范要求也會導(dǎo)致高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計不合理。比如，在對鋼結(jié)構(gòu)進行耐火極限劃分時沒有考慮到鋼結(jié)構(gòu)的特殊性，從而導(dǎo)致其耐火極限劃分不合理。最后，防火分隔措施不合理。如：沒有將防火涂料與金屬構(gòu)件相分隔；防火分區(qū)設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部；使用防火墻作為主要的分隔措施；未將防火材料設(shè)置在主要承重構(gòu)件內(nèi)部；未將鋼結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)進行分隔等。這些都會對高層建筑的使用和安全造成一定影響。因此必須要對這方面進行加強重視。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計問題

抗震設(shè)計是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容，而鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要目的就是為了保證高層建筑在地震中不會出現(xiàn)倒塌的情況。因此，在進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，首先要保證高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的合理性，只有這樣才能真正達到高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的目的。在進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，首先要選擇合理的地震波，這是非常重要的。只有選擇合適的地震波，才能確保高層建筑在地震中不會出現(xiàn)倒塌的情況[6]。其次，在進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，還要根據(jù)實際情況對不同地區(qū)進行科學(xué)合理的選擇，從而確保高層建筑在地震中不會出現(xiàn)倒塌的情況。另外，還需要對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中所采用的材料進行科學(xué)合理地選擇。例如，在進行鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，需要選擇強度較高、質(zhì)量較輕、容易加工和焊接的材料。

4 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)合理論實踐，分析了民用多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題，分析結(jié)果表明，在我國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑得到了飛速發(fā)展，在這一過程中，高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也受到了廣泛關(guān)注。在對其進行分析時，不僅要對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不足進行分析，還要對其存在的問題進行研究。只有這樣才能促進我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平提升。同時，這也能為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供一定的幫助作用。