建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

田亞文

摘要：鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和施工中占有十分重要地位，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使建筑施工更加便利，同時(shí)也極大的推動(dòng)了建筑行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。因此在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，必須充分掌握鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念及方法。本文將對(duì)建筑施工中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：建筑鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：TU391中圖分類號(hào)：A

引言

由于國(guó)內(nèi)鋼材產(chǎn)量的不斷提高，以及人們對(duì)建筑造型及規(guī)模、使用功能的要求也日益提高，結(jié)合鋼材自身的優(yōu)點(diǎn)，比如延展性好、抗震性能強(qiáng)、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、安裝方便等，使得建筑鋼結(jié)構(gòu)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。盡管鋼結(jié)構(gòu)有很好的自身優(yōu)勢(shì)，但想要使鋼結(jié)構(gòu)在保證安全的前提下充分發(fā)揮材料性能，合理使用，并不容易。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，就要求熟練掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，切實(shí)掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低成本。

1鋼結(jié)構(gòu)概述

鋼結(jié)構(gòu)是指在建筑工程中，運(yùn)用冷彎、熱軋、焊接等方法將鋼板進(jìn)行加工形成的鋼型構(gòu)件，利用這些型鋼構(gòu)件組合成的結(jié)構(gòu)受力體系。鋼結(jié)構(gòu)一般分為兩大類，分別是重鋼結(jié)構(gòu)（也叫普鋼結(jié)構(gòu)）和輕鋼結(jié)構(gòu)。一般跨度、高度、荷載較小的單層建筑結(jié)構(gòu)，常采用輕鋼結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)的使用，具有一定的限定條件。跨度、高度、荷載較大、多層的建筑結(jié)構(gòu)，一般采用重鋼結(jié)構(gòu)。無(wú)論是重鋼結(jié)構(gòu)還是輕鋼結(jié)構(gòu)，相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其自重較輕，在跨度、負(fù)載等條件相同的情況下，同樣尺寸的構(gòu)件，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自重是鋼結(jié)構(gòu)的三倍。

2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）除疲勞強(qiáng)度計(jì)算使用容許應(yīng)力法，其它的設(shè)計(jì)計(jì)算均使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是概率論。（2）全部的承載結(jié)構(gòu)要結(jié)合兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，一個(gè)是承載能力極限狀態(tài)，另一個(gè)是正常使用極限狀態(tài)。（3）設(shè)計(jì)過(guò)程中要結(jié)合不同的建筑特點(diǎn)，對(duì)安全等級(jí)要求進(jìn)行考慮，同時(shí)利用相關(guān)系數(shù)，將其在體現(xiàn)在荷載效應(yīng)計(jì)算中。（4）在承載能力極限狀態(tài)下，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，以適用條件為依托，考慮載荷效應(yīng)的基本組合。（5）在正常使用極限狀態(tài)時(shí)，要結(jié)合設(shè)計(jì)要求的不同，應(yīng)用不同的荷載組合，一般情況采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合。（6）疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算過(guò)程中，采用容許應(yīng)力法。（7）選擇鋼材時(shí)，要結(jié)合結(jié)構(gòu)的受荷載情況、環(huán)境特點(diǎn)以及工藝要求等，合理選擇。（8）鋼種選擇時(shí)，應(yīng)考慮抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)以及碳含量等。

3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的首要問(wèn)題是，注意局部與整體的關(guān)聯(lián)。除滿足強(qiáng)度要求，還要滿足結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性。結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，必須有合理的結(jié)構(gòu)體系，且要注意局部與整體關(guān)聯(lián)的緊密性。要做好這方面的工作，就需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有效規(guī)避使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的因素，合理選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何形狀及尺寸，以滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定要求。除此以外，在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮施工的可實(shí)施性，既要滿足結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性要求，又要考慮便于施工、安裝，并在此基礎(chǔ)上考慮其經(jīng)濟(jì)性，盡量減少材料用量。

3.2結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在建筑鋼結(jié)構(gòu)體系之中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要性等同于構(gòu)件設(shè)計(jì)，所以一定要對(duì)其予以足夠的重視。一般來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包括：梁粱連接節(jié)點(diǎn)、梁柱連接節(jié)點(diǎn)、柱柱連接節(jié)點(diǎn)、柱帽節(jié)點(diǎn)以及柱腳節(jié)點(diǎn)等。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要切實(shí)保證節(jié)點(diǎn)的可靠性與安全性，并且在施工時(shí)應(yīng)盡可能采用可靠、穩(wěn)定、簡(jiǎn)捷的施TZ藝，盡量減少或避免工程現(xiàn)場(chǎng)的焊接操作。根據(jù)傳力特性，可以將鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式分為三種：剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)以及鉸接節(jié)點(diǎn)。由于鉸接節(jié)點(diǎn)和剛性節(jié)點(diǎn)的施工工藝以及受力性能等方面的研究較為成熟，所以能夠在工程之中得到較廣泛的使用。在選擇具體的梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式的時(shí)候，應(yīng)該對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系布置具體分析，并結(jié)合工程的實(shí)際狀況，選擇合理的連接形式。在設(shè)計(jì)時(shí)，多層及體型規(guī)則的建筑鋼結(jié)構(gòu)，柱大多采用箱形截面或者焊接工字形截面。因焊接工字形截面腹板的厚度較小，所以在弱軸方向和梁連接時(shí)應(yīng)采取加強(qiáng)措施，或根據(jù)具體情況采用鉸接方式，并增設(shè)支撐體系；在強(qiáng)軸的方向通常使用剛接的方法。在有足夠的設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，可采用半剛性節(jié)點(diǎn)，一般情況宜盡量避免使用半剛性節(jié)點(diǎn)。

3.3抗震性能設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)有一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，就是建設(shè)適應(yīng)性非常強(qiáng)，這就能夠讓鋼結(jié)構(gòu)適用于很多的高層建筑物中。但是盡管如此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還是存在很多需要優(yōu)化的方面，比如抗震性能就是優(yōu)化環(huán)節(jié)中要考慮的一個(gè)問(wèn)題。要提升鋼結(jié)構(gòu)抗震性能，就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，了解建筑的抗震需求，考慮結(jié)構(gòu)體系的抗震能力。結(jié)合實(shí)際情況，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，準(zhǔn)確選取計(jì)算參數(shù)，合理設(shè)計(jì)，以確保提升鋼結(jié)構(gòu)的受力性能。設(shè)計(jì)時(shí)將地震作用下的影響因素考慮周全，將建筑物整體變形及構(gòu)件的局部變形控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。可結(jié)合當(dāng)?shù)匾酝慕?jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行優(yōu)化，提高建筑物的抗震性能。為降低造價(jià)，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行優(yōu)化，盡量減少用鋼量。

3.4BIM技術(shù)運(yùn)用

3.4.1建筑場(chǎng)地與建筑結(jié)構(gòu)分析工作中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合其它各專業(yè)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中，使用BIM技術(shù)，能夠幫助結(jié)構(gòu)設(shè)itA員明確了解其它專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求，及時(shí)判斷出其它專業(yè)的設(shè)計(jì)是否影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及結(jié)構(gòu)方案是否影響其它專業(yè)，從而完善各專業(yè)之間的配合，避免相互影響。

3.4.2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的構(gòu)建

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是通過(guò)手工或CAD繪圖來(lái)呈現(xiàn)所設(shè)計(jì)的內(nèi)容。而采用BIM技術(shù)，能夠?qū)⑺O(shè)計(jì)的建筑立體的呈現(xiàn)出來(lái)的。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)模型的整體構(gòu)建與部分構(gòu)建，將建筑內(nèi)部所包含的梁、柱、板材、支撐等都直接的呈現(xiàn)出來(lái)，在一定程度上直觀且準(zhǔn)確地反映出了各部分之間的聯(lián)系及空間關(guān)系，對(duì)后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)調(diào)整有很大的幫助，實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的可視化。比如在建筑結(jié)構(gòu)的墻體與樓層的設(shè)計(jì)工作中，使用BIM技術(shù)能夠?qū)w與樓層之間的關(guān)聯(lián)性直接呈現(xiàn)出來(lái)，還能具體表現(xiàn)出不同位置使用的材料以及材料的數(shù)量。

3.4.3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)模型的建造

社會(huì)的進(jìn)步帶動(dòng)著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑工程的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。在這樣的大背景下，鋼結(jié)構(gòu)建筑逐漸被廣泛使用，建筑工程鋼結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)鋼構(gòu)件之間連接形成完整的結(jié)構(gòu)體系。鋼材之間的連接是復(fù)雜多樣的，這就增加了設(shè)計(jì)難度。使用BIM技術(shù)，能夠很大程度上降低這種工作的難度，通過(guò)BIM信息數(shù)據(jù)參數(shù)共享功能，能夠有效把握鋼結(jié)構(gòu)螺栓位置以及其他構(gòu)件的位置。同時(shí)，通過(guò)使用BIM技術(shù)能夠準(zhǔn)確計(jì)算出鋼構(gòu)件的位置以及鋼結(jié)構(gòu)的高度，很大程度上提高了建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性以及建筑設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量水平。

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)建筑越來(lái)越多，這是由于鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)相比，有著特殊的優(yōu)勢(shì)，比如強(qiáng)度、抗震性能好以及施工效率高等。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要從不同角度，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行掌握，使得設(shè)計(jì)出的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量得以有效保證。