关于建筑钢结构设计探讨

关于建筑钢结构设计探讨

王小琤

昆明合创建筑设计事务所王小琤

摘要：本文从钢结构设计入手，通过分析钢结构的范畴及其在建筑中具有的优势，论述了目前钢结构设计中的一般性问题及应对策略，推论了钢结构优化设计的相关原则。

关键词：钢结构；范畴；优势；问题及策略；设计原则

建筑钢结构目前应用较为广泛，能全方位地提高现代建筑设计质量，使建筑行业呈现出革命性进步，具有其它结构无法企及的优势。推动钢结构在建筑设计中的应用，要切实地解决钢结构设计中的问题，按照优化设计原则开展设计工作。

一、建筑钢结构的范畴

建筑钢结构以钢材为主要受力材料构件形成的建筑结构型式或结构体系。目前我国建筑钢结构主要包括轻钢结构、高多层钢结构、大跨度钢结构、重型工业钢结构建筑等。轻钢结构应用于层数较少、荷载力较低的建筑，以冷弯C型钢及压型钢板来建设屋面，以冷弯薄壁型材来做复合墙面，以热轧H型钢来构建结构较轻的房屋。高层钢结构建筑主要应用钢结构的高承载力以及优越的抗震性能构筑而成的建筑结构体。大跨度钢结构应用于体育馆、航空站、会展中心等跨度不小于60m的建筑。重型工业钢结构应用于火力发电厂、大型冶金厂等跨度大、支柱高度与间距大，且具有较多的重量级生产设备的建筑。911事件发生时，作为钢结构建筑的纽约世贸中心被撞毁受剧烈爆炸而垮塌，使得人们对于钢结构的应用产生疑虑。而汶川大地震后，钢结构建筑抗震性能、强度、延性优势的呈现，使其应用又重新崛起。此时相应加强了对于钢结构耐火、耐腐蚀、柔韧、抗爆等性能的要求。

二、钢结构在建筑中所具备的优势分析

1.材料自身的优势：钢材较混凝土等比其它结构所用材质更加接近匀质，其组织具有各向同性的材料力学特性，各向均能承受最大主应力，受外荷载施作用时各构件和结构体几乎可以具备完全的弹性。钢材由优质铁矿石冶炼而成，具有非常高的强度性能，而在锻造成钢结构型材过程中，还经过了炼钢轧延等工艺的锻炼，更为符合建设要求。钢材自身的性能为建筑提供了较好的刚度、塑性与柔韧性，使得建筑构件不会因为突然的超载而断裂，也不会在动力荷载过大时产生结构性的建筑倒塌。钢结构构件因为自身具备较高的强度，从而能够以较小的截面以及较薄的壁形形态存在，能有效地满足受压时对稳定性能的要求。

2.相对力学性能所提供的建筑结构性价比：钢结构能够以相同的跨度或相同的建筑高度承载更大的使用外荷载和地震作用，大大降低了结构整体质量，达到对于地震力的有效抵抗，且其延展性和吸能能力较强，能提高建筑对于震害的抵抗能力。由于建筑钢结构具备的材料优势，各种力学假定和力学模型的计算结果与其实际性能结果极为贴近，便于对精度与质量控制。钢结构能以较小的构件空间尺寸和灵活的空间构成提供较高的力学性能，满足建筑艺术表达和使用功能要求方面的进步，即钢结构能达到较高的结构性价比。

3.钢结构设计目标明确，施工便捷，易于检测：目前全世界范围内钢结构设计均统一为对应力控制的方法，基于材料本身的特点，容易达到对建筑结构及构件的设计目标，便于设计、生产安装、检测、防护全过程实现对构件和结构体的性能化控制要求。钢结构具备较为完善的工业化工艺，施工周期短，程式化的钢构件可直接在工厂进行高精度制作，在施工现场只需可控的连接工艺将各部分构件进行有效的拼接焊接。

三、建筑钢结构设计中一般性问题及应对策略

1.钢结构的防护

①防火：911事件使得工程界意识到钢结构防火工作的重要性，采用高效的防火材料和防火技术对钢结构进行防护形成普遍共识，当前应用优质防火材料，可实现高达四级的耐火等级。

②防腐：钢结构的使用环境对其具有不可避免腐蚀作用，在外露与高空等一般的环境中受到酸雨或污染空气等腐蚀；而在化工及潮湿等特殊环境中受到化学制剂或者潮湿的侵蚀，发生腐蚀状况更加严重。一般可采用防腐涂层的方式来避免腐蚀，在特殊环境中则可以涂刷隔绝外界腐蚀制剂的化工材料来隔离腐蚀。

2.提高建筑钢结构性价比，控制建筑结构的合理用钢

合理设计钢结构布局控制用钢量，尽量使结构呈现规则性，从而加强钢结构的抗震性能，并加强协调管理来加大对钢结构全应用过程的优化，尽可能降低钢结构在建筑中的造价。如合理优选结构构件尺寸，充分发挥钢构件的截面特性，实现截面和应力的合理性；在整个结构体中钢构件的空间组成直接决定了钢结构的性价比，著名建筑“鸟巢”的钢结构优化过程就是典型案例。

3.钢结构的体系设计与构造设计

①体系设计：现代钢结构设计往往与混凝土结构等复合而成，这里所述的钢结构体系问题，主要讨论钢结构在整个结构体中的贡献。由于建筑的复杂和性能化设计要求，基于钢结构的较强适应性能，从构件到结构分体系再到结构体，钢结构均能达到局部或全面的性能要求，对体系设计的研究使建筑的多样性成为可能。如钢管混凝土、型钢混凝土可大大改善混凝土结构构件性能；钢网架可解决大跨度的结构水平分体系问题，钢桁架支撑可部分提供竖向分体系解决方案；复杂体型建筑必须由空间钢结构体系才能实现。

②构造设计：钢结构构造设计由于涉及生产和安装的工艺等，目前有资质和责任细化的趋势。在完成钢结构体系方案设计后，应配合责任单位落实施工组织设计保证钢结构构造的实现。应尽可能做到工厂化、标准化，如材料切割开孔等用等离子弧切割机完成，可保证组件的精度，减少生产过程带来的构造缺陷；要求冷弯工艺控制构件变形，变形构件要采取相应的构造措施，否则会产生构件失稳带来结构失稳。在此特别强调焊接工艺对结构构造的影响，应尽可能降低焊接产生的构件变形和初始次应力，而不能仅仅在设计图中注明所谓的“满焊”，技术文件中应细化对技术环节的控制要求。钢结构的运输、吊装、现场临时支撑等对钢结构构造同样有影响，这些过程中构件受力状态与其在成形的结构体中是不同的。钢结构防护问题应归属于其构造设计，构件表面清理、防护材料涂刷、特别是现场连接部位防护补强、使用过程定期防护检查与维修等，都决定了钢结构生命周期的长短。

四、建筑钢结构的设计原则

1.选择性使用原则

钢结构的应用是在主、客观因素的约束之下的选择性结果，目前远不是一种普遍运用的结构，这种选择性使用原则也反映了钢结构对于各种建筑的广泛应对与适应性能。首先，要分析建筑的环境特点、功能、空间型体、施工要求等条件，使钢结构符合不同的需求，体现其差别性和规律性。第二，运用性能化设计理论，配合规范的结构计算程序，以确定钢结构构件、分体系、结构体系等设计目标，分析确定钢结构在结构体系中参与的比重。其次，不但要研究钢结构正常使用、结构抗震等力学性能，还要分析建筑使用环境等对建筑防火、隔热保温及防腐蚀等其它功能的要求。下图可说明建筑钢结构的这一设计原则。随着建筑物的高度和重量变高变大时，钢结构越来越能发挥其性能优势，且钢结构能以不同的角色出现在建筑结构体中。

图例柱框架在建筑层数较低时一般用混凝土结构建造，也可以用钢构件的柱或梁来满足尺寸空间的限制；同为框架体系时钢结构的建造高度比混凝土结构要高。图例跳层桁架设计成钢结构更为现实可行。图例有支撑的框架可设计成混凝土框架柱和梁，用钢结构来完成支撑，共同形成组合结构体系。当建筑需由巨型框架或成束框筒才能实现时，钢结构无疑是作为完整的结构体系出现的，其性能必然是选择性的结果。

2.经济性比较原则

要保证钢结构具备适当的刚柔度，避免刚性过大对于变形能力的减弱，以及刚性过柔造成的整体性的建筑变形问题。目前钢结构设计的刚柔相济问题，各国规范中均有不尽相同的相应规定，需要在实践中不断总结深入研究。钢结构的刚柔度与建筑的耗钢量存在直接的联系，相对而言钢结构的造价比较高，因此必须选用最为经济实用的建设方案来降低钢材用量，通过大量的技术经济比较，才能保证钢结构物尽其用，故必须强调建筑钢结构设计的经济性比较原则。

3.控制稳定性的目标原则

从建筑整体出发在钢结构各工状条件下，对建筑进行合理的平面设计，确保每一个构件的平面稳定性计量符合结构布置要求，使钢结构的局部和整体在各向平面上不出现因失稳而垮塌的安全和质量问题，要求钢结构设计以控制稳定性为目标，注重对结构稳定有利和不利条件的分析，这一原则贯穿设计、生产、安装、维护全过程。

五、结语：

建筑钢结构的应用必须从各方面的因素出发，在设计目标原则控制下，从体系到构造上做好建筑钢结构的优化设计，注重钢结构的防护，最大化发挥钢结构的性能化设计优势，有效保障和延长钢结构建筑生命周期。

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