多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計研究

馬韶霞

摘 要：文章分析了風景園林綠化工程項目管理中存在的主要問題，提出現場施工管理要點和注意事項，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：多層鋼結構模塊;鋼框架復合結構;建筑結構設計

中圖分類號：TU318? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）03-0049-03

0 引言

加拿大的 C.D.Annan介紹了鋼結構模塊建筑的特點和建造過程，提出一種典型的鋼框架模塊結構體系，對地板結構進行了設計和有限元分析，結果顯示考慮到半剛性焊接連接導致模塊結構受力將不同于傳統結構體系，針對模塊建筑的受力特點，提出了合理的計算方式。西南交通大學的胡驍，針對一棟擬建的鋼結構模塊化結構，提出了一種模塊化建筑設計思路與施工方法。基于剛接與鉸接模型，對模塊結構進行了抗震性能分析，得出了模塊建筑具有較好的抗震性能。當前關于多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構不夠深入，為此需要加強對該領域的深入研究。

1建筑多層鋼結構模塊與鋼框架復合結構設計要點分析

多層鋼結構模塊在現代建筑工程中的應用日益廣泛，但是傳統設計模式中存在著一定的問題，難以有效解決鋼結構與整體結構存在的矛盾問題，所以必須準確掌握設計關鍵要點，才能夠全面提高鋼結構設計方案質量。

1.1 鋼結構節點設計

在建筑鋼結構設計中，節點設計是影響鋼結構設計方案能夠順利實施的主要因素。在常規的建筑結構中，需要從傳力特點的角度進行確定。鋼結構節點主要可以分為半剛接、剛接以及鉸接等多種不同類型，每一種連接類型都有著不同的使用場景，需要根據高層建筑的實際設計需求加以確定，確保鋼結構的節點連接方式能夠滿足高層建筑的傳力需求。在對多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計中，設計人員需要充分考慮到焊接、栓接、梁腹板、連接板等不同內容的設計。鋼模塊設計需要考慮到鋼模塊焊接的焊接縫形式和焊接面的尺寸，保證焊接連接的緊固程度。在栓接過程中，需要考慮高強螺栓直徑、連接板、摩擦面等因素;在梁腹板中，需要對栓孔位置的腹板抗剪凈截面進行計算，還需要計算高強度承壓型螺栓的承壓能力，保證其能夠達到質量要求，從而能夠避免鋼框架結構出現質量問題;在連接板設計中，需要根據梁腹板的計算增加連接板的厚度，從而提高鋼框架結構節點設計的科學性[1]。

1.2 鋼結構質量標準規定

鋼結構的質量要求較高，因此施工單位要根據建筑結構的設計方案，制定嚴格鋼結構質量標準規范，且需要對每一處鋼結構施工環節進行嚴格的質量檢測，保證結構質量能夠滿足國家要求和設計方案規定。建筑工程施工中所需要的鋼材類型多種多樣，每一種鋼材類型在承重能力、強度等方面有著很大的差異，因此施工單位需要按照實際高層建筑設計需求，確保能夠達到國家標準要求，并加強鋼結構施工的管理，避免鋼結構設計不合理引起質量問題[2]。多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計能夠對建筑整體質量產生直接影響，所以在設計過程中需要加強對設計方案的測試，利用現代化信息技術對鋼結構設計具體參數進行驗證，能夠有效提升結構設計方案整體質量。

1.3 建筑鋼結構選型與布置

建筑鋼結構體系設計需要從鋼結構的角度進行分析，設計人員需要充分考慮到現代建筑工程對于多種不同鋼結構選型對高層建筑整體質量和經濟性的影響，按照建筑結構的基本形式，在設計過程中考慮到負載能力要求、施工條件要求、制作安裝要求等多項不同的要求，選擇強度、抗震能力都能夠達到標準的鋼結構類型，并對鋼結構的施工位置進行科學的劃分。通過采用計算模型等方式可保證鋼結構設計方案科學性，能夠提高鋼結構各項參數設計準確性，避免出現鋼結構尺寸、拆分位置不科學、不正確的問題，從而降低施工成本，是提高建筑工程經濟效益的有效方式[3]。

2工程概況

本文以H市某工業園區新建的一座辦公樓工程為例，該辦公樓總建筑面積為3150 ㎡，建筑高度為4層，第一層高度為4.5 m，標準層高度為3.4 m，辦公樓采用鋼結構模塊和鋼框架復合結構體系。鋼結構模塊尺寸設計：模塊單元的寬度一般為2～3 m，高度為3～4 m;地面建筑采用鋼材為Q235B鋼，模塊單元梁截面為口 80 mm×50 mm×5 mm，柱截面為口 100 mm×60 mm×10 mm。地上建筑采用矩形鋼管和H型鋼梁。

在本次工程建筑中，多層鋼結構模塊和鋼框架復合結構設計具有重要的意義，所以需要加強整體結構設計與優化。如果設計方案存在問題，則會導致鋼結構整體承載力受到很大影響，使鋼結構的承載力、穩定性等多個方面出現問題。因此，必須提升多層鋼結構模塊和鋼框架復合結構設計質量，以此來提升建筑施工科學性，確保本次工程鋼結構質量能夠達到設計要求。經過設計人員的科學論證，采用現代化信息技術對鋼結構進行建模分析，在模型中準確展現出鋼結構各節點的受力情況，可使整體設計方案更加清晰，能夠為后續施工建設提供更加完善的設計資料和數據，是提高本次建筑工程鋼結構設計質量的重要方式。

3園區結構體系規劃

建筑工程必須采用科學的結構體系，才能夠保證建筑質量和結構效果，所以需要充分考察建筑工程所在區域的實際情況，保證所選擇的結構體系能夠符合實際需要，從而避免建筑結構體系出現不科學、不合理以及不規范的問題。在對本次工程整體園區結構體系進行規劃時，因為建筑所需要的多層鋼結構模塊必須在工廠內完成加工制作，在加工完成后運輸到施工現場，為此需要提前計算多層鋼結構模塊的尺寸等參數，從而確保鋼結構模塊能夠順利在施工現場進行安裝。本次建筑工程中結構寬度超過3 m，高度在4.5 m之內，在對多層鋼結構模塊尺寸進行設計時，需要充分考慮到所有影響因素。框架結構在建筑中的表現形式一般為鋼框架結構，主要構成包括承重梁、承重柱通過節點所組成，框架結構具有應用靈活、布置便利的特點，可以根據室內空間的具體布置需求進行相應的調整，鋼框架結構的梁、柱等面積較小，能夠減少施工成本投入。

3.1 鋼結構模塊尺寸設計分析

鋼結構模塊尺寸設計是本次工程設計的基礎內容，在設計過程中需要充分考慮到鋼結構模塊尺寸大小對于結構的影響，按照建筑工程的實際需求對其進行設計與優化。首先，必須全面分析鋼結構模塊的承載負荷，如果鋼結構模塊尺寸較大，所承受的符合就會相應降低，反之如果鋼結構模塊尺寸較小，那么需要投入的鋼結構模塊數量則會增加，不利于控制成本預算。其次，需要充分考慮到鋼結構模塊尺寸大小對于運輸的要求，確保鋼結構模塊尺寸符合運輸實際需求，從而才能夠保證鋼結構模塊尺寸設計科學性。

3.2 鋼結構框架設計方案分析

根據本次工程的實際情況來看，辦公樓的一層高度相比于其他普通樓層高度更高，所以本次工程中鋼結構框架設計同時采用兩種不同的設計方案。由于第一層樓層高度較高，需要承受的荷載與其他樓層不屠龍，所以在對鋼結構框架進行設計時，采用H型鋼梁和矩形鋼管柱相結合的設計方案，確保每個鋼結構模塊都能夠良好結合，是保障本次工程設計質量的重要方式。

3.3 構件設計分析

構件設計能夠直接影響鋼框架復合結構體系質量，所以為了保證工程質量，必須做好構件設計工作，結合多層鋼結構模塊和鋼框架復合結構的實際情況，提高構件設計能力，避免在施工后期出現變更問題。在本次工程中，辦公樓所采用的鋼材為Q235鋼，建筑抗震等級設計為2級。

4建筑鋼結構設計模型計算

為了全面提高本次建筑工程鋼結構質量，提高鋼結構穩定性、承載力以及抗震能力，必須對其結構參數進行科學的計算，確保參數計算參數準確性，如果發現結構參數存在不符合國家要求規定的問題，需要結合實際情況對結構參數進行優化，以提高建筑工程鋼結構設計質量。

4.1 結構參數計算

按照國家要求規定以及現場數據和資料對鋼結構進行設計，通過建立計算模型進行分析，通過計算模型能夠提高鋼結構設計參數準確性，能夠驗證鋼結構設計參數是否能夠滿足要求。

4.2 節點簡化和簡化合理性分析

通過采用模型分析方法，得到如下數據：最大荷載約為85 kN，相應的最大位移約為134.2 mm，簡化模型的最大荷載約為76 kN，相應的最大位移約為114.2 mm，二者差異較小。經過簡化后的模型各項參數能夠滿足本次工程建設實際要求，將模型節點優化與實際情況進行對比分析，從而能夠確定最佳的施工技術方案。

4.3 模型構建

為了得到科學準確的模型，? ?本次工程采用 Midas 軟? 件進行建模，? ?模型主要包括梁體和柱體單元。下圖為構建完成的整體模型圖。

外墻及內墻均采用石膏板加巖棉的做法，根據計算外墻荷載為4.0 kN/m，內墻荷載為3.3 kN/m;二層樓板采用壓型鋼板混凝土組合樓板，厚度為 100 mm，荷載為2.8 kN/m2，三層樓板采用輕鋼龍骨木地板的輕質樓板，荷載為1 kN/m;樓梯恒荷載為3 kN/m2，電梯恒荷載為5 kN/m2，采光天窗恒荷載為0.6 kN/m2;法屋面吊頂活荷載為1.0 kN/m2;不上人屋面活荷載為0.5 kN/m2;走廊活荷載為2.5 kN/m2;樓梯活荷載為3.5 kN/m2;機房設備活荷載為7.0 kN/m2;辦公區域活荷載為2.0 kN/m2;電梯活荷載為7.0 kN/m2。

通過采用有限元模型構建以及仿真分析的方式，本次工程中鋼結構模塊以及鋼框架結構設計參數更加準確，從而為后續的具體優化提供科學的指導。

4.4 鋼結構設計方案驗證

為了確保本次建筑工程鋼結構設計方案科學性，在設計方案完成后對其進行充分檢測，主要檢測內容包括：（1）采用隨機抽取該辦公樓建筑鋼框架鋼材樣本的檢測方式，對鋼材料的拉伸性能、冷彎性能、材料主要元素含量進行檢測，檢測結果需符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》中Q345B規定的要求。（2）該辦公樓建筑鋼框架結構中1層鋼柱為等截面鋼管柱，2、3以及4層大部分鋼管柱為不等直徑鋼管柱，焊接方式為點焊，主梁為H形鋼梁結構形式，次梁為工字型鋼梁結構。（3）抽取樣本中50%的鋼柱構件，對其垂直度進行檢測，檢測結果符合國家要求規定。（4）鋼結構構件連接方式檢測鑒定。在鋼柱柱腳的連接方式檢測方面，該工程鋼柱底部和基礎頂面預埋鋼板采用圍焊連接，鋼管柱腳底部沒有肋板，為混凝土澆筑結構形式;在鋼柱與鋼梁的連接方式檢測方面，該工程上層和下層的鋼管柱為不連通結構形式，中間被鋼梁分隔，鋼管柱與鋼梁上部、下部接觸部分采用角焊縫方式連接;在次梁與主梁的連接方式檢測方面，次梁上部與主梁上部采用對接縫焊接方式連接，次梁下部與主梁下部采用角焊縫方式連接，主梁腹板和次梁腹板采用角焊縫方式連接[4]。

通過對設計方案以及現場的檢測可知，本次多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計方案能夠滿足相關要求規定，能夠保障本次工程質量，對后續的鋼結構施工建設具有重要的指導作用。

5結語

綜上所述，為了解決傳統鋼結構框架建筑在設計中存在的問題，本文對多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計進行全面分析，對鋼結構模塊尺寸、復合框架方案以及具體構建進行設計優化。根據檢測結果可以看出，本次設計創新方案取得了良好的效果，對于鋼結構建筑設計以及施工產生良好的推動作用，全面促進了鋼結構建筑整體質量提高。

參考文獻

[1] 紀龍春.多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計研究[J].建筑與裝飾，2021（19）：2.

[2] 張鵬飛，張錫治，劉佳迪，等.多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計與分析[J].建筑結構，2019，46（10）：95-100.

[3] 王志友.多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計探究[J].工程建設與設計，2019（13）：37-38.

[4] 陳志華，周子棟，劉佳迪，等.多層鋼結構模塊建筑結構設計與分析[J].建筑結構，2019（16）：59-64+18.

Research on the Design of Composite Building Structure with Multi-story Steel Structure Module and Steel Frame

MA Shaoxia

（The Second Branch of Shandong High Speed Laigang Green Construction Development Co.， Ltd.，Jinan Shandong

250000）

Abstract： This article mainly studies the structural design of multi-layer steel structure modules and steel frame composite buildings. By combining with a building project in H City， the multi-layer steel structure design scheme adopted by it is analyzed， and the calculation of structural parameters and simplified design of joints are adopted. As well as the method of model analysis， the best steel structure modular design plan can be obtained， which can improve the design quality of the multi-layer steel structure of the construction project， solve the problems existing in the steel structure design of the current part of the project， so that the quality of the steel structure of the construction project has been comprehensively improved. It has made certain innovations in the design of multi-story steel structures in buildings， hoping to promote my country's architectural design industry.

Keywords： multi-layer steel structure module; steel frame composite structure; building structure design

收稿日期：2021-12-16

作者簡介：馬韶霞（1979—），女，山東濟南人，本科，工程師，研究方向：鋼結構裝配式建筑。