建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與思路的研究

駱永生 （安徽享筑工程設(shè)計(jì)咨詢事務(wù)所有限公司，安徽 合肥 230601）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快讓我國(guó)建筑行業(yè)有了更廣闊的發(fā)展前景，人們對(duì)建筑工程材料選取的關(guān)注度和需求量也一直在持續(xù)攀升。鋼結(jié)構(gòu)作為一種典型的綠色環(huán)保型建筑材料，被廣泛地應(yīng)用于各大建筑工程的主體結(jié)構(gòu)建造。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為建筑物總體結(jié)構(gòu)形象的體現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性是非常重要的。然而從我國(guó)目前建筑行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀來(lái)看，還是存在著許多有待改進(jìn)的地方，如何完善建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和思路，仍是我國(guó)建筑行業(yè)亟需突破的課題。

1 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)及設(shè)計(jì)的基本方法

1.1 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

無(wú)論是使用、設(shè)計(jì)、施工還是綜合經(jīng)濟(jì)效益方面，鋼結(jié)構(gòu)與其他建筑材料相比其優(yōu)勢(shì)都是顯而易見(jiàn)的。其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)見(jiàn)表1。

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 表1

①結(jié)構(gòu)自重輕，可以大大減少建筑基礎(chǔ)造價(jià)，滿足超高度和超跨度要求。鋼結(jié)構(gòu)的密度和強(qiáng)度的比值遠(yuǎn)比混凝土、磚石等建筑材料小，再加之鋼材組織相對(duì)更為均勻，接近于各項(xiàng)同性勻質(zhì)體，其自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，彈性模量也大，因此鋼結(jié)構(gòu)常被大規(guī)模應(yīng)用到一些跨度較大、高度較高或是對(duì)結(jié)構(gòu)形體靈活性要求較高的建筑結(jié)構(gòu)中。而且以鋼材為主體結(jié)構(gòu)的建筑比以鋼筋混凝土為主的建筑要更節(jié)省原材料費(fèi)用和地基處理費(fèi)用，這在很大程度上節(jié)約了建筑工程成本。

②預(yù)工程化程度高，可實(shí)現(xiàn)建筑功能和結(jié)構(gòu)一體化。建筑預(yù)工程化程度的提高讓不同材料、不同制造方法、不同規(guī)模的建筑結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)行業(yè)的資金流通和周轉(zhuǎn)速度，也能使建筑更早地投入使用。

圖1 ANSYS 軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

③鋼材具有很高的再循環(huán)價(jià)值，屬于綠色環(huán)保材料。在建筑工程中剩余的一些鋼材邊角細(xì)料也能夠派上用場(chǎng)，且建筑修建不需要制模施工，建筑物翻新或重修時(shí)廢舊的鋼結(jié)構(gòu)材料可利用率依然很高，與混凝土磚塊結(jié)構(gòu)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(hù)費(fèi)用。

④延性好且塑性變形能力強(qiáng)，具有優(yōu)良的抗震抗風(fēng)性能，能夠大大提高住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的情況下，鋼結(jié)構(gòu)能夠避免建筑物的倒塌性破壞。另一方面，鋼結(jié)構(gòu)靈活豐實(shí)，能實(shí)現(xiàn)建筑物大開(kāi)間、靈活分隔的要求，戶內(nèi)空間可多方案分割，滿足建筑物不同使用需要[1]。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方法分析

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要組成部分，對(duì)現(xiàn)代以鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑物的可持續(xù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。鋼結(jié)構(gòu)前期的設(shè)計(jì)工藝非常復(fù)雜，對(duì)其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)和測(cè)試也十分嚴(yán)格。首先，設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先假定構(gòu)件截面尺寸，擬出初步方案；然后，利用計(jì)算機(jī)軟件和已有的力學(xué)知識(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算；最后，設(shè)計(jì)者對(duì)計(jì)算機(jī)給出結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)計(jì)算、修改，直到得出滿意的設(shè)計(jì)方案為止。這種重復(fù)設(shè)計(jì)方法的缺陷在于：設(shè)計(jì)方法雖然可行，但往往所得結(jié)果不一定經(jīng)濟(jì)，最終結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性很大程度上依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件主要有兩大類(lèi):一類(lèi)是中國(guó)自主開(kāi)發(fā)的軟件，主要是中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的建筑設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)PKPM系列中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件STS；上海同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院開(kāi)發(fā)的空間鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)CAD軟件-3D3S等。另一類(lèi)是專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)公司開(kāi)發(fā)的或設(shè)計(jì)院持有的國(guó)外的設(shè)計(jì)軟件，如上海寶成鋼結(jié)構(gòu)持有VP公司的VPcommander軟件；天津麥塔力鋼構(gòu)公司、BUTLER公司、清華大學(xué)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(guó)愛(ài)司卡特公司的STURCAD等。以ANSYS軟件為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)流程如圖2[2]。

2 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

2.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量普遍不高

建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一塊的任務(wù)是比較繁重和緊迫的，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的人力物力比一般建筑設(shè)計(jì)方案要多得多，而當(dāng)前建筑行業(yè)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所掌握的技術(shù)及專(zhuān)業(yè)人員的素質(zhì)還十分有限。因此，許多施工單位在承包了項(xiàng)目工程后往往會(huì)把工程的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)再進(jìn)行轉(zhuǎn)包，這在無(wú)形中就給建筑設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)埋下了安全隱患。再加之目前還沒(méi)有相應(yīng)的法律法規(guī)對(duì)建筑市場(chǎng)設(shè)計(jì)資格進(jìn)行規(guī)范和整治，因而不可避免的造成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍質(zhì)量不高的情況。

2.2 引用設(shè)計(jì)方案時(shí)不予變通

我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域所掌握的技術(shù)與某些先進(jìn)國(guó)家相比還存在一定的差距，因此國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)引用國(guó)外的設(shè)計(jì)方案，這種借鑒思維本身是合理的，但設(shè)計(jì)人員在引用方案時(shí)往往不加變通，甚至是直接生搬硬套地采用，這種沒(méi)有考慮到建筑工程實(shí)際情況而盲目挪用設(shè)計(jì)方案的做法會(huì)讓鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用性大打折扣而造成建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 防火防腐問(wèn)題沒(méi)有妥善解決

鋼結(jié)構(gòu)在一般室溫條件下其承重力和強(qiáng)度還比較穩(wěn)定，可一旦建筑物發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)就極有可能出現(xiàn)變形和垮塌。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[3]，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受熱100℃～150℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的塑性會(huì)增大，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度會(huì)明顯降低；當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和彈性模量就會(huì)急劇下降，很快失去承載能力。其次，鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能較差也是影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，尤其是當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于濕度較大、有侵蝕介質(zhì)存在的環(huán)境中時(shí)，會(huì)更容易生銹腐蝕從而削弱鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的耐腐耐高溫問(wèn)題，采用耐火抗腐的材質(zhì)或涂料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行前期的維護(hù)。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與思路的改進(jìn)措施

3.1 遵循設(shè)計(jì)方案，做好細(xì)節(jié)工作

為了使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具科學(xué)性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)人員必須首先制定精準(zhǔn)切實(shí)的設(shè)計(jì)方案，并嚴(yán)格按照制定的設(shè)計(jì)方案來(lái)進(jìn)行施工處理。除此之外，還要認(rèn)真做好各處細(xì)節(jié)工作，如鋼結(jié)構(gòu)的形式的選取和布置，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的編制等等。鋼結(jié)構(gòu)主要有平面架、索膜、框架、網(wǎng)架、輕鋼等結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)結(jié)構(gòu)形式都有其自身的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，從全局角度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選取和布置。需要注意的是，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案完成后，不能立刻投入到建筑施工中去，而應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行審查和測(cè)試，當(dāng)確定鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案科學(xué)、合理后再投入使用，這樣能夠有效地規(guī)避建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 加強(qiáng)設(shè)計(jì)深度，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以實(shí)用性、安全性、穩(wěn)定性、合理性、耐久性為原則，不能盲目引用或模仿國(guó)外的設(shè)計(jì)方案，更不能只以追求表面功能和暫時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益為目的，忽略對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在建筑內(nèi)部的承重性能和作用力的要求。優(yōu)質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果都是在持續(xù)深化其功能性和設(shè)計(jì)深度的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的環(huán)境多而復(fù)雜，因此在鋼結(jié)構(gòu)的防腐、防火設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)引起高度的重視。要達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)防腐的效果，通常的做法是涂防腐防銹涂料在鋼結(jié)構(gòu)的表面，以達(dá)到阻斷侵蝕性物質(zhì)附著、延緩鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的目的。其次，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，比如將防火、耐高溫涂料涂在鋼結(jié)構(gòu)表面，以此來(lái)提升鋼結(jié)構(gòu)的防火能力，盡可能地避免建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)變形或脫落導(dǎo)致建筑失穩(wěn)和坍塌。

3.3 加大監(jiān)管力度，規(guī)范設(shè)計(jì)管理

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高技術(shù)含量及其設(shè)計(jì)的特殊性要求建筑工程項(xiàng)目承包商和設(shè)計(jì)單位必須擁有專(zhuān)業(yè)的資質(zhì)和人力、物力資源，妥善落實(shí)好鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力及鋼結(jié)構(gòu)施工安裝的技術(shù)等。相關(guān)監(jiān)管部門(mén)必須加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的監(jiān)督力度，在對(duì)建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審查時(shí)，一定要嚴(yán)格細(xì)致，精準(zhǔn)到位，健全相應(yīng)的監(jiān)管制度和監(jiān)測(cè)制度，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)用滿足工程建設(shè)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)是非常強(qiáng)大的，現(xiàn)今工藝與技術(shù)的進(jìn)步讓各類(lèi)型的建筑鋼材層出不窮，這些鋼結(jié)構(gòu)在建筑中運(yùn)用的比例日漸增大，但鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善也不是一朝一夕的事，它需要設(shè)計(jì)人員和施工人員持續(xù)深化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和掌握，不斷從實(shí)踐中總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在保證建筑工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)質(zhì)量和穩(wěn)定性的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑美學(xué)的要求。

[1]丁亮.建筑工程項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性探究[J].四川水泥,2015(4).

[2]張文龍，管曉慧.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].門(mén)窗,2014(5).