試論鋼結構在高層建筑結構設計中的應用

余仁澤

【摘要】高層建筑在近幾十年內得到了快速的發展，鋼結構在一定程度上決定了高層建筑的整體質量。鋼結構設計是高層建筑結構設計當中一項艱巨的任務，只有科學合理的應用鋼結構，才能提高高層建筑的安全性能。本文從高層建筑的實際情況出發，對鋼結構在高層建筑結構設計中的實際應用進行了科學的分析和探討，希望能夠為城市高層建設提供一些有益的建議。

【關鍵詞】高層建筑；鋼結構；結構設計；應用；施工方案

隨著社會經濟的快速的發展，高層建筑日益增多，是城市發展和建設的縮影。鋼結構工程工藝經過幾十年的發展逐漸的走向成熟，并且成為了目前世界上許多的高層建筑的首選的結構形式。高層建筑結構構件的橫截面的尺度較大，重量也較大，科學合理的鋼結構是保障建筑安全的重要的因素。

1高層建筑的發展

建筑的高度在一定的程度上決定了城市的文明和經濟發展的高度，例如上海中心、迪拜塔、101雙子大廈不僅僅代表著城市的發展程度，也代表著人類進步和自我超越的力量。近幾十年來，建筑造型材料日新月異，高層建筑無論是豎向還是橫向記錄都在不斷的刷新，高層建筑內部結構理念發生了巨大的改變，它的價值空間向著多元化方向延伸。高層建筑的發展是從1894年發夠巴黎火車站采用鋼梁開始的，后來在1852年美國紐約城水晶宮直立式的展覽廳進行了鋼框架的開發，1956年轉爐和平爐煉鋼技術得到了發展。

從18世紀開始，西歐和北美各國拉開了工業革命的序幕，生產力水平不斷的提高，人口也迅速的發展，經濟進步要求有更大的空間。城市的空間成為了社會發展的必然，在城市范圍受到限制的條件下，城市建筑只能向著豎向發展，并且新技術和材料設備也不打斷的發展，使高層建筑豎向發展成為了可能。雖然高層建筑成為了城市發展的必然趨勢，但是當時主要城市的建筑體量，相關的配套設施并、交通工程制約著高層建筑的發展，使高層建筑在很長的一段時間內處于配角地位，不能實現高層建筑的真正的價值。隨著城市的快速發展和建設體量的增加，使建設高層建筑的要求更加迫切，到18世紀末，芝加哥作為一個超速發展的城市成為了現代高層建筑的起點，真正的實現了設計風格與建筑體量城市功能的有機統一。

而后的100年，成為了高層建筑的黃金時期，高層建筑總體上從四個方面得到了發展。首先，設計風格的變革，設計思路也不斷的拓展，，各種建筑的設計元素不斷的豐富，讓高層建筑在安全的基礎上得到了美的提升，融合了自然的美學獲得了向上的力量。其次，結構體系的理解也更加的深刻合理，高層建筑與普通的建筑不一樣的地方就是高層建有著更加復雜的垂直交通系統并且水平的交通系統與管道系統連接在了一起。再次，地下基礎工程得到了迅速的發展，這為高層建筑的進一步發展提供了充分的保障。最后，建筑材料和建筑設備的發展，新型的建筑材料的質量高、強度大、重量小，而建筑設備的維護也更為方便，功能也更加的強大。

我國的高層建筑在近20年里也得到了迅速的發展，無論是在建筑速度還是建設的數量上都是世界建筑史上少有的。我國的經濟快速的發展，各行各業都得到了快速的提升，城市建筑全反映了城市文化，為城市帶來了活力。在我國建筑行業快速的發展同時，我們也不能忽視其中存在著的一些問題，我國在高層建筑方面還存在著局限性，也有許多的失敗的作品的出現。

2鋼結構工程

鋼結構的適用范圍不僅僅是由鋼本身特性決定的，還受到國民經濟的具體發展狀況的影響。我國在冶金方面尤其是在煉鐵方面曾取得過巨大的成績，但是在后來的20多個世紀中始終處于小作坊的狀態，封建制度極大的束縛了我國工業發展的腳步。一直到建國初期我國都沒有一套完整的工業體系，建國后我國才開始發展現代冶金業，大型的冶金企業才逐漸的發展起來，但是受歷史和現實的束縛，煉鋼的產量并不能滿足社會發展的需要，不能滿足建筑業的要求。到上世紀90年代，我國才逐漸的發展鋼結構，經過20多年的發展我國逐漸的掌握了各種復雜的建筑物設計和施工的技術，在許多的領域已經達到了世界領先的水平。

鋼結構是一種建筑結構類型，它是以鋼材制作為主的結構，主要適用于大跨度、板塊結構、橋梁和高層建筑等。鋼結構的鋼材的強度較大、自重較輕、剛度大，并且材料的勻質性好。鋼結構工程主要分為輕鋼結構、重鋼結構、設備鋼結構，高層建筑一般是重鋼結構。

3鋼結構設計的優越性

鋼作為一種特殊的建筑材料與其他的建筑材料相比，無論是在設計還是施工以及綜合經濟方面都有很大的優勢。首先，鋼結構與傳統的混凝土建筑結構相比，鋼結構能夠減少構件的橫截面的尺寸，從而提高戶型的使用面積，使建筑結構的尺寸較為靈活。其次，鋼結構設計的節能更好，它具有很好的保溫效果，能夠節能50%左右，鋼結構的自重較輕，基礎造價較少。再次，環保節能符合產業化可持續發展的要求。鋼結構多為定性定量，工廠能夠大批量生產，工業化程度相對較高，成套應用，鋼材可以100%的回收利用不會造成資源的浪費。最后，鋼結構的機械化水平較高，在施工的過程當中施工的速度快，用人少，工期與傳統的住宅建筑相比可以縮短30%左右。

4鋼結構的設計

根據高層建筑結構的的具體受力情況，可以選用不同的鋼材和高強度螺栓，并且要進行噴砂處理。鋼型混凝土梁中的型鋼一般是采用H型鋼，采用PKPM系列程序與設計軟件SAWE結合進行計算，根據具體的計算結果確定梁柱橫截面鋼筋和鋼骨的大小。混凝土和型鋼之間的粘結力小于混凝土和鋼筋之間的粘結力，因此為了避免粘結移滑，在設計時一定要應用栓釘，形成完全的剪力連接，使混凝土和型鋼能夠共同的工作。鋼骨混凝土一般是采用埋入式柱腳，要埋入大概3倍的型鋼柱截面的高度，在梁、柱節點的關鍵的結構受力部位，在設計的過程中要保證傳力明確、安全可靠，施工方便。鋼骨柱的長度應該根據鋼材生產和運輸的速度來決定。

5鋼結構的制作和安裝

鋼結構工程通常是由制作和安裝兩部分組成的，工程質量的好壞也是由這兩部分共同決定的。設計鋼骨必須要采用機械加工，生產廠家一定要專業，各種材料也一定要符合相關的質量的要求。施工的過程中要明確相關的工作人員具體的工作責任，構件的制作和安裝的過程一定要小心謹慎。鋼板的對接作為鋼結構的首要環節，對鋼結構的整體質量有著重要的影響，鋼板的對接應為整體對接，只能在長度方向采用小車式埋弧自動焊來完成鋼板的對接。鋼板的對接坡口一般要采用鋼結構萬能坡口切割機銑削，并且在完成后要讓專業的人員對坡口的尺寸進行檢查。在構件的組裝階段一定要在組裝平臺上進行，將合格的型鋼梁整齊的擺放在組裝平臺上，按照圖紙的相關的額要求組裝構件，按照設計圖標出端面銑位。構件在組裝的過程中一定要注意要先組裝內部的組件，再裝外部組件。如果工程構件需要現場焊接，要進行鎖口加工，在對H鋼檢驗合格以后，準確的測量出控件構件的準確的尺寸，保證端口要平整。通過對相關的設備對鎖口進行處理，提高鋼結構設計的整體的效果。

6小結

鋼結構在高層建筑的建筑和設計中發揮了重要的作用，我們要不斷的加強對鋼結構設計的研究，提高鋼結構的科學性和合理性。從鋼板的對接階段到鋼板的安裝每一個階段都不能忽視，每一環節都要細心謹慎，確保鋼結構能夠科學、合理地應用于高層建筑設計中，提高建筑的整體質量。

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