建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及其注意事項(xiàng)

高新霞

摘? ? 要：隨著高層、大跨度以及對(duì)使用空間、外部造型有特殊要求的建筑日益增多，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也隨之增加。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的空間位置關(guān)系復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)形式多變，而且對(duì)加工精度、裝配質(zhì)量均有極高要求，因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及材料與加工工藝選擇比較復(fù)雜，與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、方法和要求有明顯不同。本文基于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的簡(jiǎn)要介紹，分析了鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，探討了在具體工程的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行科學(xué)的受力分析，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，為后續(xù)加工與現(xiàn)場(chǎng)裝配施工提供詳盡的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)要點(diǎn);優(yōu)化策略;建筑

1? 引言

使用鋼材做為建筑、橋梁等大型工程的結(jié)構(gòu)材料，需要解決其易腐蝕、耐火性能差以及容易出現(xiàn)工藝性變形和殘余應(yīng)力等缺點(diǎn)。近年來由于新材料的研發(fā)以及信息技術(shù)在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用，能夠通過合理運(yùn)用防腐防火涂料、深化結(jié)構(gòu)形式、加工和裝配工藝設(shè)計(jì)等手段，保障復(fù)雜、大型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性，使得鋼結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的頻率越來越高。

2? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的建筑工程主體結(jié)構(gòu)相比優(yōu)點(diǎn)與缺陷同樣突出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝以及裝配技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是彌補(bǔ)不足而發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。首先鋼材相比傳統(tǒng)建筑主體材料具有優(yōu)越的工藝性能，可以根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)、安裝要求運(yùn)用工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行精確的加工，而且由于具有良好的塑性、抗拉、抗壓等力學(xué)性能，使得其整體結(jié)構(gòu)輕便、抗震并且在空間構(gòu)造形式上十分靈活。因此鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠適應(yīng)復(fù)雜、個(gè)性化的建筑風(fēng)格，提高內(nèi)部空間的利用率，而且基于預(yù)制裝配式施工，能夠縮短工期，解決傳統(tǒng)建筑工程施工帶來的多方面環(huán)境問題。但由于鋼材的熱物理性質(zhì)比較特殊，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而且極易受到環(huán)境中各種介質(zhì)的腐蝕。因此在建筑工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，需要依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范選擇耐火、防腐技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行處理，并且進(jìn)行規(guī)范化的結(jié)構(gòu)受力分析，確定其構(gòu)件幾何形狀、尺寸以及節(jié)點(diǎn)連接方式等。

3? 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

建筑工程的鋼結(jié)構(gòu)依靠構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接為一體，既需要具有整體性和足夠的剛度，又必須有一定的彈性和抗變形能力。因此在設(shè)計(jì)過程中不僅需要考慮整體的承載力，為了保障其穩(wěn)定性，還需要進(jìn)行各個(gè)節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件的荷載分析，基于建筑的抗震設(shè)計(jì)等級(jí)、整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及使用要求等，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造以及工藝設(shè)計(jì)，確保其加工和裝配施工的順利進(jìn)行。

3.1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑使用功能、造型以及主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有多種結(jié)構(gòu)形式可供選擇，通常在相對(duì)簡(jiǎn)單、平面布局的工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中，建筑主體可以使用簡(jiǎn)單的梁柱結(jié)構(gòu)，構(gòu)件之間的銜接關(guān)系、空間位置也都十分簡(jiǎn)潔，無(wú)需對(duì)過多構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。而大型場(chǎng)館以及高層、超高層建筑，其鋼結(jié)構(gòu)做為主體結(jié)構(gòu)或其重要組成部分，既要有足夠的穩(wěn)定性與承載力，還需要滿足建筑外型或內(nèi)部空間構(gòu)造要求。因此構(gòu)件的形狀、斷面結(jié)構(gòu)以及連接節(jié)點(diǎn)的空間分布都非常復(fù)雜，需要在大致確定整體結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行構(gòu)件的分解，細(xì)化節(jié)點(diǎn)連接形式以及構(gòu)件的形狀、材料與加工工藝設(shè)計(jì)，為構(gòu)件預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)裝配施工提供詳圖。

3.2? 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與材料選擇

建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)空間位置、連接形式設(shè)計(jì)決定了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、構(gòu)件加工與裝配施工工藝的可行性。在整體結(jié)構(gòu)的形狀、構(gòu)造以及布局確定之后，首先需要根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)、設(shè)計(jì)規(guī)范，分析評(píng)估各承重構(gòu)件所受的荷載大小、方向，確定構(gòu)件拆分方案以及節(jié)點(diǎn)的位置、數(shù)量。其次根據(jù)梁、柱等構(gòu)件之間節(jié)點(diǎn)的連接性質(zhì)，選擇相應(yīng)的力學(xué)分析模型，對(duì)構(gòu)件的受力進(jìn)行分析計(jì)算，得到具體的抗壓、抗剪強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的深化設(shè)計(jì)，繪制標(biāo)有明精確的工藝參數(shù)、質(zhì)量要求的施工詳圖[1]。而建筑鋼結(jié)構(gòu)的材料選擇則需要根據(jù)構(gòu)件的受力分析結(jié)果、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，選擇各項(xiàng)性能符合要求的型鋼，明確其型號(hào)、性能指標(biāo)以及防腐、防火處理要求等。

3.3? 構(gòu)件的加工與裝配工藝

通常傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)需對(duì)具體的施工工藝提出詳細(xì)要求，但鋼結(jié)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件形狀、節(jié)點(diǎn)連接形式確定之后，則需要基于深入的分析，對(duì)構(gòu)件的加工、焊接等節(jié)點(diǎn)施工工藝進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，才能保證鋼結(jié)構(gòu)在安裝完成后空間位置精度、構(gòu)件殘余應(yīng)力以及焊接質(zhì)量等滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性需要。否則極易因節(jié)點(diǎn)銜接的誤差累計(jì)、構(gòu)件殘余應(yīng)力超標(biāo)以及焊縫存在質(zhì)量缺陷等問題，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)變形或達(dá)不到預(yù)期的使用壽命。因此首先在深化設(shè)計(jì)階段，需要與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工方進(jìn)行必要的溝通，根據(jù)其場(chǎng)地、設(shè)備以及技術(shù)狀況，深化構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)[2]。尤其是針對(duì)結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜以及需要使用焊接工藝的構(gòu)件，應(yīng)明確焊接方式、材料與設(shè)備應(yīng)用以及焊縫質(zhì)量評(píng)定方法等。其次還應(yīng)基于梁、柱等大型構(gòu)件的運(yùn)輸、裝配工藝需要深化設(shè)計(jì)，確保其能夠順利進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)完成吊裝。

4? 具體工程設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

不同類型建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度有明顯差異，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)數(shù)量多而連接形式多樣的大型建筑工程，為保障施工過程的順利進(jìn)行以及建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性和或耐久性，應(yīng)合理選擇和運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)各關(guān)鍵構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的受力分析，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工、裝配工藝。

4.1? 保障設(shè)計(jì)深度并為構(gòu)件加工與裝配提供詳盡依據(jù)

盡管鋼材具有良好的工藝性能，理論上能夠滿足所有個(gè)性化的建筑造型、空間分割需要，但要想保障鋼結(jié)構(gòu)的承載力與穩(wěn)定性，則必需在整體結(jié)構(gòu)形式確定之后進(jìn)行科學(xué)的構(gòu)件分解、節(jié)點(diǎn)連接方式、加工與裝配工藝設(shè)計(jì)，獲取具有科學(xué)依據(jù)的形狀、位置參數(shù)，才能有效控制鋼結(jié)構(gòu)的加工、施工質(zhì)量[3]。因此首先構(gòu)件的設(shè)計(jì)不能直接套用類似工程的結(jié)果或者只提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，而是要結(jié)合工程的具體設(shè)計(jì)要求、構(gòu)件加工設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件，以保障加工工藝、現(xiàn)場(chǎng)施工組織計(jì)劃的可行性和施工質(zhì)量為目標(biāo)，逐一進(jìn)行深化設(shè)計(jì)并繪制詳圖。其次大型建筑工程的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工以及裝配施工過程銜接密切，設(shè)計(jì)人員應(yīng)全程關(guān)注施工進(jìn)展并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)解決出現(xiàn)的問題。

4.2? 合理選擇設(shè)計(jì)軟件與分析模型

計(jì)算機(jī)軟件是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工具，無(wú)論是力學(xué)分析模型的選擇或構(gòu)建、繪制施工詳圖還是優(yōu)化構(gòu)件加工與裝配施工工藝，都需要借助專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)完成。但要想保障設(shè)計(jì)質(zhì)量則必需熟悉不同軟件的功能以及不同數(shù)學(xué)分析模型的原理，才能確保所得參數(shù)的科學(xué)性。首先在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接方式設(shè)計(jì)以及構(gòu)件荷載分析、強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連接方式正確選擇分析模型與計(jì)算規(guī)則，以保障剛性、鉸接等不同節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)科學(xué)合理[4]。其次在進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)可利用BIM軟件的模擬施工、三維可視化顯示功能，對(duì)空間相對(duì)位置復(fù)雜且難以在二維圖形中表達(dá)的部分進(jìn)行優(yōu)化。

5? 結(jié)束語(yǔ)

建筑鋼結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)深度要求極高，而且需要進(jìn)行復(fù)雜的荷載分析、強(qiáng)度計(jì)算以及工藝評(píng)價(jià)，因此目前大型鋼結(jié)構(gòu)建筑工程傾向于采用設(shè)計(jì)施工總承包模式，基于BIM技術(shù)的利用進(jìn)行全程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工與現(xiàn)場(chǎng)安裝深度配合，既能夠保障施工質(zhì)量又可以發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)各方面的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姬爽，王辰.探析建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的要求及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2019（5）：6～7.

[2] 喬聰，尹淑杰，馬元潔.試析建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及其注意事項(xiàng)[J].河南建材，2019（3）：1～2.