建筑工程項目設計中鋼結構設計方法與思路的研究

駱永生 （安徽享筑工程設計咨詢事務所有限公司，安徽 合肥 230601）

社會經濟的飛速發展及城市化進程的加快讓我國建筑行業有了更廣闊的發展前景，人們對建筑工程材料選取的關注度和需求量也一直在持續攀升。鋼結構作為一種典型的綠色環保型建筑材料，被廣泛地應用于各大建筑工程的主體結構建造。鋼結構設計作為建筑物總體結構形象的體現，它的結構穩定性與安全性是非常重要的。然而從我國目前建筑行業中鋼結構設計的現狀來看，還是存在著許多有待改進的地方，如何完善建筑工程項目設計中鋼結構設計的方法和思路，仍是我國建筑行業亟需突破的課題。

1 鋼結構優勢及設計的基本方法

1.1 鋼結構優勢

無論是使用、設計、施工還是綜合經濟效益方面，鋼結構與其他建筑材料相比其優勢都是顯而易見的。其特點及優勢具體體現見表1。

鋼結構的特點及優勢 表1

①結構自重輕，可以大大減少建筑基礎造價，滿足超高度和超跨度要求。鋼結構的密度和強度的比值遠比混凝土、磚石等建筑材料小，再加之鋼材組織相對更為均勻，接近于各項同性勻質體，其自身結構強度高，彈性模量也大，因此鋼結構常被大規模應用到一些跨度較大、高度較高或是對結構形體靈活性要求較高的建筑結構中。而且以鋼材為主體結構的建筑比以鋼筋混凝土為主的建筑要更節省原材料費用和地基處理費用，這在很大程度上節約了建筑工程成本。

②預工程化程度高，可實現建筑功能和結構一體化。建筑預工程化程度的提高讓不同材料、不同制造方法、不同規模的建筑結構配件有了一定的互換性和通用性，也讓建筑材料的加工和安裝實現一體化，這不僅能有效地提升建筑施工效率、降低建筑施工工期，還能顯著降低建筑修建成本、加快房地產行業的資金流通和周轉速度，也能使建筑更早地投入使用。

圖1 ANSYS 軟件對鋼結構優化設計流程圖

③鋼材具有很高的再循環價值，屬于綠色環保材料。在建筑工程中剩余的一些鋼材邊角細料也能夠派上用場，且建筑修建不需要制模施工，建筑物翻新或重修時廢舊的鋼結構材料可利用率依然很高，與混凝土磚塊結構的建筑相比，大大降低了資源損耗，也減少了建筑物后期的維護費用。

④延性好且塑性變形能力強，具有優良的抗震抗風性能，能夠大大提高住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、臺風災害的情況下，鋼結構能夠避免建筑物的倒塌性破壞。另一方面，鋼結構靈活豐實，能實現建筑物大開間、靈活分隔的要求，戶內空間可多方案分割，滿足建筑物不同使用需要[1]。

1.2 鋼結構設計的主要方法分析

鋼結構設計是建筑工程項目設計的重要組成部分，對現代以鋼結構為主體的建筑物的可持續發展影響深遠。鋼結構前期的設計工藝非常復雜，對其各項技術指標的檢測和測試也十分嚴格。首先，設計人員根據經驗先假定構件截面尺寸，擬出初步方案；然后，利用計算機軟件和已有的力學知識對結構進行受力分析和強度、剛度、穩定性計算；最后，設計者對計算機給出結果進行分析，并對方案進行反復計算、修改，直到得出滿意的設計方案為止。這種重復設計方法的缺陷在于：設計方法雖然可行，但往往所得結果不一定經濟，最終結果的經濟性很大程度上依賴設計人員的經驗。

國內的鋼結構設計軟件主要有兩大類:一類是中國自主開發的軟件，主要是中國建筑科學研究院開發的建筑設計軟件系統PKPM系列中的鋼結構設計軟件STS；上海同濟大學土木工程學院開發的空間鋼結構系統CAD軟件-3D3S等。另一類是專業鋼結構公司開發的或設計院持有的國外的設計軟件，如上海寶成鋼結構持有VP公司的VPcommander軟件；天津麥塔力鋼構公司、BUTLER公司、清華大學持有REI公司的STAAD軟件；芬蘭Teklaoy公司的X steel、德賽公司SCIA，REI公司的STAADPRO，SSDD、英國愛司卡特公司的STURCAD等。以ANSYS軟件為例，進行結構優化設計的整個流程如圖2[2]。

2 建筑工程鋼結構設計存在的問題

2.1 鋼結構設計質量普遍不高

建筑工程項目設計中，對于鋼結構設計這一塊的任務是比較繁重和緊迫的，進行鋼結構設計所需的人力物力比一般建筑設計方案要多得多，而當前建筑行業對于鋼結構設計所掌握的技術及專業人員的素質還十分有限。因此，許多施工單位在承包了項目工程后往往會把工程的鋼結構設計任務再進行轉包，這在無形中就給建筑設計中鋼結構設計埋下了安全隱患。再加之目前還沒有相應的法律法規對建筑市場設計資格進行規范和整治，因而不可避免的造成鋼結構設計普遍質量不高的情況。

2.2 引用設計方案時不予變通

我國在鋼結構設計領域所掌握的技術與某些先進國家相比還存在一定的差距，因此國內設計人員在進行鋼結構設計時常常會引用國外的設計方案，這種借鑒思維本身是合理的，但設計人員在引用方案時往往不加變通，甚至是直接生搬硬套地采用，這種沒有考慮到建筑工程實際情況而盲目挪用設計方案的做法會讓鋼結構設計的實用性大打折扣而造成建筑企業的經濟損失。

2.3 防火防腐問題沒有妥善解決

鋼結構在一般室溫條件下其承重力和強度還比較穩定，可一旦建筑物發生火災，鋼結構就極有可能出現變形和垮塌。據相關數據顯示[3]，當鋼結構受熱100℃～150℃時，鋼結構的塑性會增大，同時鋼結構的抗拉強度會明顯降低；當溫度超過400℃時，鋼結構的抗拉強度和彈性模量就會急劇下降，很快失去承載能力。其次，鋼結構抗腐蝕性能較差也是影響其結構設計穩定性的一個重要因素，尤其是當鋼結構長期處于濕度較大、有侵蝕介質存在的環境中時，會更容易生銹腐蝕從而削弱鋼結構的承載能力。因此，對鋼結構進行設計時還應綜合考慮鋼結構的耐腐耐高溫問題，采用耐火抗腐的材質或涂料對鋼結構進行前期的維護。

3 鋼結構設計方法與思路的改進措施

3.1 遵循設計方案，做好細節工作

為了使鋼結構設計更具科學性和實用性，設計人員必須首先制定精準切實的設計方案，并嚴格按照制定的設計方案來進行施工處理。除此之外，還要認真做好各處細節工作，如鋼結構的形式的選取和布置，鋼結構設計圖紙的編制等等。鋼結構主要有平面架、索膜、框架、網架、輕鋼等結構形式，每個結構形式都有其自身的特點及優勢，從全局角度對鋼結構形式進行選取和布置。需要注意的是，鋼結構設計方案完成后，不能立刻投入到建筑施工中去，而應該對其進行審查和測試，當確定鋼結構設計方案科學、合理后再投入使用，這樣能夠有效地規避建筑工程項目設計中鋼結構設計的潛在風險。

3.2 加強設計深度，確保結構穩定

建筑工程項目設計中鋼結構設計必須以實用性、安全性、穩定性、合理性、耐久性為原則，不能盲目引用或模仿國外的設計方案，更不能只以追求表面功能和暫時的經濟效益為目的，忽略對鋼結構在建筑內部的承重性能和作用力的要求。優質的鋼結構設計成果都是在持續深化其功能性和設計深度的基礎上來實現的，鋼結構應用的環境多而復雜，因此在鋼結構的防腐、防火設計上應當引起高度的重視。要達到鋼結構防腐的效果，通常的做法是涂防腐防銹涂料在鋼結構的表面，以達到阻斷侵蝕性物質附著、延緩鋼結構腐蝕的目的。其次，設計人員要結合相應的規范進行防火設計，比如將防火、耐高溫涂料涂在鋼結構表面，以此來提升鋼結構的防火能力，盡可能地避免建筑發生火災時鋼結構變形或脫落導致建筑失穩和坍塌。

3.3 加大監管力度，規范設計管理

鋼結構設計的高技術含量及其設計的特殊性要求建筑工程項目承包商和設計單位必須擁有專業的資質和人力、物力資源，妥善落實好鋼結構構件的質量、鋼結構設計的能力及鋼結構施工安裝的技術等。相關監管部門必須加強對鋼結構設計工作的監督力度，在對建筑工程項目設計中鋼結構的設計方案進行審查時，一定要嚴格細致，精準到位，健全相應的監管制度和監測制度，確保鋼結構設計及鋼結構運用滿足工程建設的要求。

4 結 語

鋼結構在建筑工程項目設計中的展現出來的優勢是非常強大的，現今工藝與技術的進步讓各類型的建筑鋼材層出不窮，這些鋼結構在建筑中運用的比例日漸增大，但鋼結構設計的完善也不是一朝一夕的事，它需要設計人員和施工人員持續深化對鋼結構設計的認識和掌握，不斷從實踐中總結鋼結構設計的經驗，在保證建筑工程項目結構質量和穩定性的同時，也能實現對建筑美學的要求。

[1]丁亮.建筑工程項目中鋼結構設計的穩定性探究[J].四川水泥,2015(4).

[2]張文龍，管曉慧.建筑結構設計中鋼結構設計的重要性與策略探討[J].黑龍江科技信息,2015(14).

[3]王輝.高層建筑中鋼結構設計分析[J].門窗,2014(5).