鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑工程中的應(yīng)用分析

李建華

（河南省中原石化工程有限公司 河南省濮陽市 457000）

前言

鋼結(jié)構(gòu)本身比混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)等具有良好的優(yōu)勢，它的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在材料的性能方面，還體現(xiàn)在力學(xué)性能方面。從目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展來看，它的功能不再限于是一種結(jié)構(gòu)工具，而是成為一種中介，在一定的性能系數(shù)下可以在建筑中發(fā)揮出獨(dú)特的作用，為優(yōu)化建筑的質(zhì)量提供保證。因此，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑工程中的應(yīng)用分析顯得十分重要。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概論

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要從物理特性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行判斷：①經(jīng)濟(jì)方面，把鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)用到施工建設(shè)中，可以在很大程度上節(jié)約施工的成本。②物理特性，為了保證鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，質(zhì)量和施工質(zhì)量，要盡量提高其物理承受力，結(jié)合其體系特點(diǎn)、荷載性質(zhì)和分布特征來進(jìn)行綜合性分析。通常情況下，不僅要保證力學(xué)模型的清晰度以及剛度的均勻程度，還要保證柱間扛側(cè)支撐的分布均勻。

鋼結(jié)構(gòu)之所以在建材市場占據(jù)較大的比例，受到很多施工單位的重視，主要有以下三個(gè)方面的原因：①鋼材質(zhì)地均勻。一定應(yīng)力條件下，鋼結(jié)構(gòu)由于受力而產(chǎn)生的實(shí)際彈性和力學(xué)計(jì)算中的理想數(shù)據(jù)最為接近，無論是材質(zhì)還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)都很穩(wěn)定。②鋼材強(qiáng)度比較大。和一般的建筑材料相比，鋼材的強(qiáng)度大，抗震性好，如表1所示。另外，鋼材的體積比較小，在建筑施工時(shí)，可用面積大。鋼材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，自身重量小，遇到突發(fā)的自然災(zāi)害時(shí)能夠減輕建筑物的重量，還能使整個(gè)工程造價(jià)降低。③鋼材和其它的鋼筋材料不同，它的可塑性很強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)檩d重問題出現(xiàn)折斷的情況，這也和鋼材內(nèi)部對外來作用力的合理分配和對應(yīng)力平衡的把握有關(guān)。

表1 鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震等級

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑工程中的優(yōu)勢

2.1 優(yōu)良的塑性和韌性

剛結(jié)構(gòu)優(yōu)良的塑性和韌性具體表現(xiàn)在：建筑在出現(xiàn)超載嚴(yán)重或者負(fù)載的情況下，鋼結(jié)構(gòu)能夠重新分配作用力，減少建筑的應(yīng)力變化幅度，避免鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。這一性質(zhì)也使得鋼結(jié)構(gòu)建筑在抗震方面表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢。在地震發(fā)生時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建筑可以通過本身發(fā)生的彈性和塑性形變，吸收一定程度的地震破壞力，從而達(dá)到抗震目的。和多種建筑材料相比之下，鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性優(yōu)勢最為明顯，效果最好。

2.2 鋼材料質(zhì)地均勻

鋼材料自身的材料性能和其在力學(xué)計(jì)算方面的假定符合度很高。另外一方面，鋼材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)同性最為接近，材料自身波動(dòng)范圍很小，其彈性在所有的建筑材料中是最為理想的，與此同時(shí)，其在一定受力范圍內(nèi)，屬于完全彈性材料，實(shí)際受力和工程力學(xué)的計(jì)算結(jié)果符合度高，所以優(yōu)勢很明顯。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑中造價(jià)低

當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸應(yīng)用到高層建筑中，其推廣應(yīng)用不僅降低了投入成本，而且提高建筑的可靠性和安全性，有利于提高收益。相比于鋼筋混凝土用在高層建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的總成本更低，并且其質(zhì)量也比鋼筋混凝土要輕很多，因此運(yùn)輸費(fèi)用就相對較低。鋼結(jié)構(gòu)的使用在一定程度上也可以縮短工程時(shí)間，減少人工費(fèi)和其他因?yàn)楣て诙Ц兜馁M(fèi)用。所以，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑中具有良好的造價(jià)優(yōu)勢。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)建筑所需的施工時(shí)間更短

顯然，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其他類型的建筑工程相比，其受氣候和環(huán)境等外界條件的影響比較小。鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)加工是在工廠內(nèi)部完成的，加工完后直接送到建筑場所組裝即可完工。這就意味著其施工周期比其它類型的建筑施工周期短，對施工場所的周圍環(huán)境影響也小，完全符合國家關(guān)于文明施工的要求。并且，鋼結(jié)構(gòu)建筑的生產(chǎn)屬于自動(dòng)化，這在很大程度上降低了人工成本，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高做出很大貢獻(xiàn)。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑中的缺點(diǎn)

3.1 質(zhì)量問題

鋼結(jié)構(gòu)在專業(yè)的綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)中存在較多的設(shè)計(jì)任務(wù)，因此它的設(shè)計(jì)費(fèi)用比較高，相對來說在人力資源方面開銷也比較大。另外受很多因素影響，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程比較麻煩，完成度不高。某些設(shè)計(jì)單位甚至不愿意接受鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，甚至?xí)霈F(xiàn)一些單位把鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作承包出去的情況。進(jìn)行設(shè)計(jì)的單位，由于缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量不高，導(dǎo)致建筑行業(yè)設(shè)計(jì)市場出現(xiàn)混亂的狀況。另外，我國建筑行業(yè)并沒有對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)制定出對應(yīng)的法律規(guī)范和監(jiān)督機(jī)構(gòu)，使得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量問題頻發(fā)。

3.2 設(shè)計(jì)方案不夠完善

鋼結(jié)構(gòu)本身由于設(shè)計(jì)成本比較高，所以其設(shè)計(jì)和承接往往是分包進(jìn)行的，這就意味著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深度在一定程度上降低了。一些設(shè)計(jì)不能符合原來的設(shè)計(jì)要求，柱角設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。通常來說，柱腳的設(shè)計(jì)類型分為三種：埋入式、外露式和外包式。民宅設(shè)計(jì)中通常使用外露式的設(shè)計(jì)。底板的塑性變形和彈性往往決定了柱腳的剛度，設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)會(huì)隨著地板的變形而發(fā)生形變，設(shè)計(jì)人員要對這些問題充分進(jìn)行考慮，并對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析，否則會(huì)使柱腳節(jié)點(diǎn)受到破壞，從而使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)遭到破壞。

3.3 實(shí)際施工中防腐防銹處理不當(dāng)

眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)便是易銹蝕。因此，在對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行防腐防銹設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)出具體的施工方案。但是，在實(shí)際施工中，某些施工單位為了降低防腐防蝕的投入成本，不按設(shè)計(jì)的要求對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐防銹處理，甚至出現(xiàn)偷工減料的情況，使得鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過早銹蝕的問題，需要反復(fù)維修，造成實(shí)際成本的提高。或者由于沒有對鋼結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行防銹處理保護(hù)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)使用壽命減短。

4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)

把鋼結(jié)構(gòu)用于建筑施工中可以提高整體建筑的質(zhì)量水平。特別是針對目前的城鎮(zhèn)化建設(shè)，要對施工的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行重視，從而提高整個(gè)建筑行業(yè)的施工水平。前面已經(jīng)提到，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑施工中的應(yīng)用體現(xiàn)出很多優(yōu)勢。從設(shè)計(jì)思想方面來講，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)以及磚石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大不同，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意性，是柔性設(shè)計(jì)思維的體現(xiàn)，因此鋼結(jié)構(gòu)在形變方面要求很高，這也體現(xiàn)出其設(shè)計(jì)特色。

另一方面，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對建筑結(jié)構(gòu)中荷載的反應(yīng)要求高，因此需要對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所用到的材料選擇進(jìn)行重視。高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的材料，對于整個(gè)建筑質(zhì)量的減輕起到至關(guān)重要的作用。還要對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建筑的荷重進(jìn)行控制，對比各種施工材料的強(qiáng)度，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最大，同種荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)的截面是最小的。

5 現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

對于現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，要從以下兩個(gè)方面分析：①現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)施工過程中對細(xì)節(jié)的重視程度。②現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在施工前期的充分規(guī)劃。以下是詳細(xì)的分析和闡述：

（1）現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)施工中對細(xì)節(jié)十分重視。鋼結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)就是把各種各樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過一定的力學(xué)方式連接起來，這就使得施工過程中存在較多的結(jié)構(gòu)件的連接點(diǎn)。任何一個(gè)設(shè)計(jì)的品質(zhì)都取決于細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，當(dāng)然鋼結(jié)構(gòu)也一樣。所以要想保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和品質(zhì)，需要專業(yè)的設(shè)計(jì)人員從細(xì)節(jié)入手，把連接點(diǎn)的這些小細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)到位，同時(shí)還要保證整個(gè)結(jié)構(gòu)件的功能和穩(wěn)定。

（2）現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)前期就已經(jīng)進(jìn)行了充分的規(guī)劃。在對建筑工程的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要充分考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工的實(shí)用性。不僅要考慮到鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，還要對結(jié)構(gòu)施工的可行性方面進(jìn)行充分策劃。雖然說在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，藝術(shù)性占據(jù)很重要的位置。但要認(rèn)清，剛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性才是保證整個(gè)工程的重中之重。在設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格遵守建筑工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則。

6 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)因其自身良好的特性在我國建筑行業(yè)中得到越來越廣泛的推廣應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)不但能夠使建筑周期減短、降低施工成本，還具有良好的環(huán)保性和抗震能力，這些性質(zhì)不僅符合國家可持續(xù)發(fā)展的要求，也充分保證了整個(gè)建筑工程的安全性和可靠性，有助于企業(yè)的未來發(fā)展。不難看出，鋼結(jié)構(gòu)在未來的建筑領(lǐng)域?qū)?huì)占據(jù)很大市場，要加大對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的推廣，從而促進(jìn)我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展。

[1]黃首贊.鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中存在的問題分析[J].低碳世界，2015（08）：189～190.

[2]趙根田，劉卉.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用分析[J].建筑設(shè)計(jì)，2016（09）：44.

[3]李有力.鋼結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].低碳世界，2015（03）：22.