鋼結構房屋設計中常見要點分析

桂儒虎

（福建江夏學院 福建省福州市 350108）

目前，我國鋼鐵生產(chǎn)持續(xù)增長，經(jīng)濟增速不斷加快，人們對綠色環(huán)保建筑的要求越來越高，因此，鋼材料越來越廣泛地應用于住宅建筑的主體結構中。眾所周知，鋼結構住體系在民用建筑中的使用相較于其他結構體系具有獨特的優(yōu)勢。鋼結構房屋通用系統(tǒng)具有重量輕、布局靈活、工業(yè)化、標準化、批量生產(chǎn)、施工周期短等特點。加大對鋼結構房屋設計要點分析，提升鋼結構房屋使用水平，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，做好鋼結構房屋設計的要點分析，對于鋼結構房屋行業(yè)整體發(fā)展具有良好的促進作用。

1 鋼結構的概述

1.1 鋼結構房屋應用特征

與鋼混結構相比，鋼結構具有重量輕，荷載小的特點，在實際的房屋建造中大大降低了地基處理的成本和工作量。還有預制鋼結構，縮短工期，減輕施工現(xiàn)場工作量等優(yōu)勢，除此之外，鋼結構還具有良好的抗震效果，強度較高適合更加靈活的空間布局。在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景不斷復雜化的時代背景下，鋼結構房屋應用范圍不斷拓展，對社會生產(chǎn)生活所造成的影響不斷增加。

在鋼結構建筑設計中，結構是建筑形象的重要組成部分。只有將建筑結構的設計與功能統(tǒng)一起來，才能滿足建筑的功能需求，為未來的建筑設計打下良好的基礎。只有將建筑的功能和設計與結構融為一體，才能設計出藝術與技術統(tǒng)一的鋼結構建筑。因此，對于人均能源資源水平較低的國家來說，在我國使用鋼結構建筑具有重要的現(xiàn)實意義。鋼不僅具有高效率和高強度，而且具有良好的循環(huán)利用價值，為實現(xiàn)綠色環(huán)保建筑提供了良好的原材料。提升鋼結構房屋設計的整體水平，對鋼結構行業(yè)整體發(fā)展具有重要的保障和促進作用。

1.2 鋼結構穩(wěn)定性失衡類型

根據(jù)鋼結構失衡狀態(tài)的不同狀態(tài)，可以將失衡類型分為不同的情形：①在軸心和中面內受壓的構件產(chǎn)生的失衡，還包括受彎結構和圓柱殼等部位的失衡。②在非理想軸心和壓彎構件在受力程度超出限定范圍時出現(xiàn)的失衡狀態(tài)。③不同于以上兩種類型的失衡狀態(tài)，在發(fā)生這種失衡狀態(tài)時，平衡點會發(fā)生無規(guī)則跳躍的狀態(tài)[1]。在鋼結構設計工作進行中，首先要對組成結構進行區(qū)分，從而確定合理的結構承載力。大多數(shù)的情形下，這些失衡狀態(tài)的產(chǎn)生和作用是疊加在一起的，只有進行深入分析并確定各方面的性能特點，才能夠真正完成設計流程。分析鋼結構穩(wěn)定性失衡的類型，對于明確鋼結構房屋設計的要點具有指導作用，是明確設計要點的基本前提。

2 鋼結構房屋的優(yōu)勢及發(fā)展前景

2.1 鋼結構房屋的優(yōu)勢

（1）隨著我國鋼材產(chǎn)量的不斷增加，為鋼結構房屋的建設提供了優(yōu)質原材料，通過鋼結構房屋的建設，可以實現(xiàn)房屋構建的工業(yè)化、標準化、規(guī)模化生產(chǎn)，有效降低建筑施工成本；通過鋼結構房屋的工業(yè)化生產(chǎn)，可以有效減少施工現(xiàn)場的濕操作，滿足環(huán)保施工的要求。

（2）與混凝土結構相比，鋼結構建筑體系重量僅為混凝土結構的一半，通過鋼結構房屋的設計，能夠大大降低基礎造價，減少施工成本。同時，鋼結構房屋施工過程中對環(huán)境造成的影響較小，具有綠色節(jié)能特征，符合國家在綠色節(jié)能建筑方面的推廣要求。

（3）鋼結構房屋體系具有施工工期短的特點，與其他傳統(tǒng)結構體系相比整體的施工時間縮短近1/3，施工時間的縮短，可以為建筑企業(yè)減少投資周期，加快資金周轉速度，提高投資效率。

（4）大部分鋼結構建筑是由可循環(huán)利用和易于降解的綠色材料建造的。建筑達到使用壽命后拆除的大部分材料都可以回收利用，減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，滿足綠色環(huán)保建筑的要求。從這些方面出發(fā)，可以看出，鋼結構房屋相對于其他建筑形式而言，具有多方面的應用優(yōu)勢，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

2.2 鋼結構房屋的發(fā)展前景

鋼結構體系具有延性好、塑性變形能力強、抗震能力強等優(yōu)點。在民用建筑中的應用，可以大大提高住宅建筑的安全性和可靠性。近年來，許多自然災害，如地震的發(fā)生已經(jīng)證明了鋼結構建筑的安全性能[2]。不僅如此，鋼結構建筑可以減小柱截面的尺寸，并采用輕隔墻來增加建筑的使用面積，從而可以更好的滿足建筑大空間和靈活分隔的要求。在未來發(fā)展過程中，隨著建筑行業(yè)應用場景的不斷擴展，鋼結構房屋的發(fā)展具有廣闊的市場空間，同時對設計工作也提出了更高的要求。在設計工作開展中，不僅要能夠注重傳統(tǒng)設計中需要控制的質量和經(jīng)濟因素，還要能夠從設計流程開始，提升鋼結構房屋在不同應用場景下的實際應用水平。

3 鋼材建筑結構設計中常見缺陷

3.1 地基設計缺陷

通過對鋼結構工程的實例分析，大多數(shù)鋼結構工程往往存在不合理的地基設計缺陷。大多數(shù)鋼結構建筑基礎是根據(jù)周圍建筑物的基礎設計的。因此在地基設計過程中，極易出現(xiàn)地基不合格現(xiàn)象，給房屋帶來安全隱患。因此，應在鋼結構建筑基礎設計過程中仔細調查和分析周圍的地質條件，計算出相應的基礎設計數(shù)據(jù)或設計出相應的解決方案來滿足施工條件。此外，一些鋼結構建筑師為了保證設計效果，一味的模仿國外建筑模型，造成成本浪費和質量問題[3]。過度模仿往往會導致材料與結構不匹配，增加材料采購成本。因此，對國外建筑設計的模仿應結合我國的實際情況進行合理的借鑒。

3.2 整體框架結構設計缺陷

總的來說，鋼框架的缺陷主要分為承重柱截面高度設計不合理和縱向框架設計不合理兩種情況。一般來說，承重柱高度設計不合理的原因是因為設計師在設計過程中，為方便軸承柱應力的分析，將承重柱的截面高度低于正常的標準，這將導致房子受力誤差帶來的安全隱患。縱向框架設計不合理也是常見的缺陷之一。在鋼結構中，縱向框架與水平框架起著同樣的作用，但大多數(shù)設計師往往低估了縱向框架的重要性，從而導致了建筑的結構誤差，影響了建筑的質量。整體框架結構設計缺陷在設計流程中是較為常見的問題之一，其產(chǎn)生因素除設計師個人技能水平之外，還受到設計軟件內部構架的影響，在目前的設計工作中，通常是借助于BIM軟件所具有的碰撞檢查功能來解決這方面的問題。在各個設計流程完成之后，可以基于軟件內置的碰撞功能，分析某些環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的設計不合理現(xiàn)象，進而及時加以更正，從而為后續(xù)施工提供科學的指導。

3.3 材料結構缺陷

鋼結構設計需要考慮鋼結構及鋼結構是否穩(wěn)定、承載力、變形接受能力等多方面的因素，但在當前國內鋼結構設計情況來看，一些設計師往往忽略了整體結構的穩(wěn)定性，導致建筑的使用年限縮短，甚至在使用過程中存在安全隱患。鋼結構房屋結構和材料的穩(wěn)定性是鋼結構房屋設計中必須考慮的問題[4]。在對施工數(shù)據(jù)進行核算時，主要通過分析測試相關因素來確定建筑的基本結構，但由于數(shù)據(jù)存在偏差及大多數(shù)鋼結構設計師缺乏經(jīng)驗等原因，往往會使鋼結構及鋼結構的穩(wěn)定性受到忽略。為避免由于材料結構缺陷而造成的設計不合理現(xiàn)象，需要設計人員加大對材料性能的了解程度，并且要能夠密切關注新型材料和發(fā)展和應用。

3.4 技術應用缺陷

鋼結構設計對設計技術應用水平具有較高的要求，不同的設計理念和設計軟件選擇對實際設計效果具有直接性的影響，進而會對施工質量和成本控制等造成直接性的影響。在現(xiàn)代施工技術發(fā)展不斷深化的背景下，裝配式鋼結構應用水平不斷提升，BIM技術在設計流程中所起到的作用也更加明顯。在設計過程中，如果一昧堅守傳統(tǒng)的設計模式，將會造成設計水平與施工技術等方面存在不符，存在嚴重的資源浪費或者施工效率低下等方面的問題。這不僅會對建設單位造成嚴重的影響，還會對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重的阻礙，無法推動鋼結構建筑行業(yè)的整體發(fā)展。

4 鋼材結構房屋建筑常見要點分析

4.1 加強設計基礎水平

一般來說，鋼結構房屋設計中出現(xiàn)的問題，往往是由于設計人員對鋼結構施工缺乏認識及對材料的認識不足造成的。因此，在進行鋼結構建筑設計時，應充分了解施工的各個階段，調查現(xiàn)場情況，提高設計的基本水平，在綜合分析相關數(shù)據(jù)的基礎上進行合理科學的建筑設計。例如，在計算土地承載力之前，需要對當?shù)赝临|進行詳細的調查。在檢驗過程嚴格按照工業(yè)設計規(guī)范進行，采用分析方法，使設計檢驗值與實際值誤差達到最小，提高建筑物的安全性能。這就要求設計人員在日常工作開展過程中，不僅要能夠做好相應的設計工作，還應當不斷加大自身理論學習力度，及時掌握新型設計技術，為提升整體設計水平奠定堅實的基礎。

4.2 加強建筑上層部分設計

在大多數(shù)鋼結構建筑中，通常采用框架抗震墻結構，因為抗震墻的布置或單一剛度控制范圍往往存在問題，導致梁、板或其他構件的設計偏差。如果集中應力受到?jīng)_擊，可能會造成房屋的破壞。因此，在保證鋼結構安全的前提下，當抗震墻剛度為I級時，應確保墻支數(shù)不小于4，以保證應力分散[5]。同時，抗震墻梁、柱的設計應根據(jù)做大方小的建筑原則進行。在進行這部分結構設計時，需要對鋼結構上層部分的使用環(huán)境有所了解，盡量避免由于設計和材料選擇不當?shù)确矫嬉蛩卦斐墒┕きh(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

4.3 加強結構防護性設計

鋼作為整個建筑的主要材料，其防護功能十分重要。一般來說，合格的鋼材料必須具備良好的耐腐蝕性和耐熱性。大多數(shù)設計師都過于注重鋼結構的硬度和抗壓性，忽視了對耐腐蝕和耐熱性的重視，而鋼的耐腐蝕和耐熱性缺少明確的指標。因此，有關主要部門應重視鋼的耐蝕性和耐熱性指標標準，出臺明確的相關指標，明確鋼材的材質規(guī)格，還應提高建筑設計過程中對材質防護性的重視。對于一些對鋼結構材料具有明確要求的設計場景，必須從現(xiàn)場施工和項目類型需求出發(fā)，選擇在各項指標均能達到使用要求的鋼結構材料。在相關標準不夠明確的情形下，要能夠依托相關國外設計經(jīng)驗或者對應的產(chǎn)品質量標準進行綜合性選擇，從而為提升結構防護性奠定堅實基礎。

4.4 加強鋼結構抗震能力

鋼結構建筑作為一項地面工程，必須具備一定的抗震能力和良好的抗震性能，才能保證施工人員的安全和逃生時間。在設計工作中，為確保鋼結構房屋能夠在特殊場景下具有良好的應用性能，必須加大對鋼結構房屋抗震性能的重視程度。鋼結構房屋的抗震能力需要根據(jù)當?shù)氐牡貧げ▉泶_定。由于鋼結構建筑本身材質就較為堅固，具有一定的抗震能力，但由于其不同于普通混凝土住宅，鋼結構建筑對抗震等級沒有相關的標準，所以在這種情況下，有必要在建筑設計過程中對引發(fā)地震災害的因素做一個全面分析，演算出合適的抗震數(shù)據(jù)，并基于此做出合理的結構設計，提高房屋建筑的抗震能力[6]。同時在部分對抗震性能具有直接性影響的設計環(huán)節(jié)，應當加大重視力度，確保整體抗震能力達到使用要求。

4.5 承重墻結構設計

因為鋼結構建筑的平面結構通常是矩形的，為了確保建筑物的地震強度，在設計建筑的結構時，其縱向剛度應大于橫向剛度、橫墻的數(shù)量必須符合要求，并使橫墻用于承重和阻隔墻體。另外，當鋼結構使用一定時間后，如果懸臂梁發(fā)生變形，則應將構造柱置于懸臂梁的一端，保證各層之間能夠通過構造柱連接，解決建筑承重問題。承重墻結構設計是在鋼結構房屋設計中容易被忽略的環(huán)節(jié)，這就要求設計人員在開展工作是必須強化對承重墻設計的重視程度，采用創(chuàng)新思維開展設計工作，盡量能夠減少懸臂梁發(fā)生變形的概率，提升承重墻在長期使用過程中的性能。

4.6 鋼材的材質的選用

設計鋼結構時，應在相應的文件中注明材料和焊接材料的質量等級。確保鋼結構建筑的鋼材應具有屈服強度、抗拉強度、冷彎強度、延伸率等。對于地震頻發(fā)的區(qū)域，應特別注意鋼材的抗彎強度比與延伸率的數(shù)值是否符合建筑標準，鋼材應具有明顯的屈服步長，除具有良好的沖擊韌性和焊接性外，結構還應具有足夠的抗彎強度。文件中應注明塑性變形能力和必要的安全儲備，在達到安全標準的基礎上盡量減少C級或Z級以上的鋼材的使用，避免造成經(jīng)濟浪費[7]。

4.7 鋼結構的穩(wěn)定設計

近年來，我國在鋼結構穩(wěn)定性設計方面取得了較大的進步，但在彎矩和軸力的耦合效應、預張拉體系等方面仍有許多問題需要改進。具體為以下幾點：首先在鋼結構網(wǎng)殼模型中，梁柱單元已成為主流的研究工具。然而，因為不可能確定單元是否能真正反映網(wǎng)殼的應力狀態(tài)，許多建筑設計專家仍然對梁、柱單元研究存在疑惑，目前最大的問題是不知道如何反映彎矩與軸力的耦合效應。目前，建筑領域缺乏完善的理論來分析預應力體系。如何分析局部穩(wěn)定與整體穩(wěn)定之間的關系也是大跨度結構設計中的一大難題。大跨度結構在施工中雖然去掉了相對保守的穩(wěn)定系數(shù)，但并不能真正反映局部穩(wěn)定與整體穩(wěn)定的關系。目前，學術界對隨機沖擊分析的基本限制是在隨機載荷范圍內，結構參數(shù)較小。事實上，由于結構參數(shù)的隨機性，結構響應會發(fā)生很大的變化。因此，應重點研究隨機參數(shù)對屈曲失穩(wěn)、結構類型和跳躍失穩(wěn)的干擾。

4.8 壓型鋼板拉條的設置

壓型鋼板拉條設置設計對于鋼結構房屋的整體穩(wěn)定性具有重要影響，在檁條的使用和構建過程中，在檁條之間設置支撐，起到橫向支點的作用，減少檁條的橫向變形和扭轉，從而保證線檁條的橫向穩(wěn)定性。鋼帶一般設置在不小于4m的坡口帶間距內，在不小于6m的檁條間三個點上設置支撐。對于帶扣式或咬合式鋼結構的屋面，拉條帶應位于檁條上下1腹板高度以內。一些最大跨度為4米的項目無需設置拉條，同樣，冷彎薄壁鋼梁在使用時，也應按跨距提供必要的支撐桿和拉條。

5 結論

綜上所述，隨著人們生活水平的提高，人們對建筑住房等方面的要求也不斷提高。本文主要分析了鋼結構房屋的優(yōu)點及其發(fā)展前景，分析了我國鋼結構房屋建筑的缺陷，并對設計要點進行了分析。主要可以通過增強鋼結構的防護性，提高鋼結構的抗震能力等方式提高設計水平，另外，還可以通過借鑒外國優(yōu)秀的建筑設計的經(jīng)驗和教訓，結合我國建筑需求，對我國鋼結構房屋建設現(xiàn)狀進行改善，減少建筑成本的投入，提高建筑施工質量，促進我國建筑行業(yè)的健康發(fā)展。