鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計中常見要點分析

桂儒虎

（福建江夏學(xué)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(jì)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(yīng)用于住宅建筑的主體結(jié)構(gòu)中。眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)住體系在民用建筑中的使用相較于其他結(jié)構(gòu)體系具有獨特的優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)房屋通用系統(tǒng)具有重量輕、布局靈活、工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、批量生產(chǎn)、施工周期短等特點。加大對鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計要點分析，提升鋼結(jié)構(gòu)房屋使用水平，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，做好鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計的要點分析，對于鋼結(jié)構(gòu)房屋行業(yè)整體發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用。

1 鋼結(jié)構(gòu)的概述

1.1 鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)用特征

與鋼混結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)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(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，縮短工期，減輕施工現(xiàn)場工作量等優(yōu)勢，除此之外，鋼結(jié)構(gòu)還具有良好的抗震效果，強(qiáng)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(fù)雜化的時代背景下，鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)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(jié)構(gòu)建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)是建筑形象的重要組成部分。只有將建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。只有將建筑的功能和設(shè)計與結(jié)構(gòu)融為一體，才能設(shè)計出藝術(shù)與技術(shù)統(tǒng)一的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑具有重要的現(xiàn)實意義。鋼不僅具有高效率和高強(qiáng)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(jié)構(gòu)房屋設(shè)計的整體水平，對鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)整體發(fā)展具有重要的保障和促進(jìn)作用。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性失衡類型

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)受壓的構(gòu)件產(chǎn)生的失衡，還包括受彎結(jié)構(gòu)和圓柱殼等部位的失衡。②在非理想軸心和壓彎構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計工作進(jìn)行中，首先要對組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，從而確定合理的結(jié)構(gòu)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(jìn)行深入分析并確定各方面的性能特點，才能夠真正完成設(shè)計流程。分析鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性失衡的類型，對于明確鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計的要點具有指導(dǎo)作用，是明確設(shè)計要點的基本前提。

2 鋼結(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)勢及發(fā)展前景

2.1 鋼結(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)勢

（1）隨著我國鋼材產(chǎn)量的不斷增加，為鋼結(jié)構(gòu)房屋的建設(shè)提供了優(yōu)質(zhì)原材料，通過鋼結(jié)構(gòu)房屋的建設(shè)，可以實現(xiàn)房屋構(gòu)建的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)，有效降低建筑施工成本；通過鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)建筑體系重量僅為混凝土結(jié)構(gòu)的一半，通過鋼結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計，能夠大大降低基礎(chǔ)造價，減少施工成本。同時，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)房屋體系具有施工工期短的特點，與其他傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速度，提高投資效率。

（4）大部分鋼結(jié)構(gòu)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(dá)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(jié)構(gòu)房屋相對于其他建筑形式而言，具有多方面的應(yīng)用優(yōu)勢，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展前景

鋼結(jié)構(gòu)體系具有延性好、塑性變形能力強(qiáng)、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點。在民用建筑中的應(yīng)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(zāi)害，如地震的發(fā)生已經(jīng)證明了鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性能[2]。不僅如此，鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展，鋼結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展具有廣闊的市場空間，同時對設(shè)計工作也提出了更高的要求。在設(shè)計工作開展中，不僅要能夠注重傳統(tǒng)設(shè)計中需要控制的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)因素，還要能夠從設(shè)計流程開始，提升鋼結(jié)構(gòu)房屋在不同應(yīng)用場景下的實際應(yīng)用水平。

3 鋼材建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見缺陷

3.1 地基設(shè)計缺陷

通過對鋼結(jié)構(gòu)工程的實例分析，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)工程往往存在不合理的地基設(shè)計缺陷。大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑基礎(chǔ)是根據(jù)周圍建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計的。因此在地基設(shè)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(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)建筑基礎(chǔ)設(shè)計過程中仔細(xì)調(diào)查和分析周圍的地質(zhì)條件，計算出相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)或設(shè)計出相應(yīng)的解決方案來滿足施工條件。此外，一些鋼結(jié)構(gòu)建筑師為了保證設(shè)計效果，一味的模仿國外建筑模型，造成成本浪費和質(zhì)量問題[3]。過度模仿往往會導(dǎo)致材料與結(jié)構(gòu)不匹配，增加材料采購成本。因此，對國外建筑設(shè)計的模仿應(yīng)結(jié)合我國的實際情況進(jìn)行合理的借鑒。

3.2 整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計不合理和縱向框架設(shè)計不合理兩種情況。一般來說，承重柱高度設(shè)計不合理的原因是因為設(shè)計師在設(shè)計過程中，為方便軸承柱應(yīng)力的分析，將承重柱的截面高度低于正常的標(biāo)準(zhǔn)，這將導(dǎo)致房子受力誤差帶來的安全隱患。縱向框架設(shè)計不合理也是常見的缺陷之一。在鋼結(jié)構(gòu)中，縱向框架與水平框架起著同樣的作用，但大多數(shù)設(shè)計師往往低估了縱向框架的重要性，從而導(dǎo)致了建筑的結(jié)構(gòu)誤差，影響了建筑的質(zhì)量。整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷在設(shè)計流程中是較為常見的問題之一，其產(chǎn)生因素除設(shè)計師個人技能水平之外，還受到設(shè)計軟件內(nèi)部構(gòu)架的影響，在目前的設(shè)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(shè)計流程完成之后，可以基于軟件內(nèi)置的碰撞功能，分析某些環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的設(shè)計不合理現(xiàn)象，進(jìn)而及時加以更正，從而為后續(xù)施工提供科學(xué)的指導(dǎo)。

3.3 材料結(jié)構(gòu)缺陷

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、承載力、變形接受能力等多方面的因素，但在當(dāng)前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計情況來看，一些設(shè)計師往往忽略了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)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(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)和材料的穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計中必須考慮的問題[4]。在對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行核算時，主要通過分析測試相關(guān)因素來確定建筑的基本結(jié)構(gòu)，但由于數(shù)據(jù)存在偏差及大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計師缺乏經(jīng)驗等原因，往往會使鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到忽略。為避免由于材料結(jié)構(gòu)缺陷而造成的設(shè)計不合理現(xiàn)象，需要設(shè)計人員加大對材料性能的了解程度，并且要能夠密切關(guān)注新型材料和發(fā)展和應(yīng)用。

3.4 技術(shù)應(yīng)用缺陷

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對設(shè)計技術(shù)應(yīng)用水平具有較高的要求，不同的設(shè)計理念和設(shè)計軟件選擇對實際設(shè)計效果具有直接性的影響，進(jìn)而會對施工質(zhì)量和成本控制等造成直接性的影響。在現(xiàn)代施工技術(shù)發(fā)展不斷深化的背景下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用水平不斷提升，BIM技術(shù)在設(shè)計流程中所起到的作用也更加明顯。在設(shè)計過程中，如果一昧堅守傳統(tǒng)的設(shè)計模式，將會造成設(shè)計水平與施工技術(shù)等方面存在不符，存在嚴(yán)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(shè)單位造成嚴(yán)重的影響，還會對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙，無法推動鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)的整體發(fā)展。

4 鋼材結(jié)構(gòu)房屋建筑常見要點分析

4.1 加強(qiáng)設(shè)計基礎(chǔ)水平

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

4.2 加強(qiáng)建筑上層部分設(shè)計

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

4.3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)防護(hù)性設(shè)計

鋼作為整個建筑的主要材料，其防護(hù)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(shè)計師都過于注重鋼結(jié)構(gòu)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(biāo)。因此，有關(guān)主要部門應(yīng)重視鋼的耐蝕性和耐熱性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，出臺明確的相關(guān)指標(biāo)，明確鋼材的材質(zhì)規(guī)格，還應(yīng)提高建筑設(shè)計過程中對材質(zhì)防護(hù)性的重視。對于一些對鋼結(jié)構(gòu)材料具有明確要求的設(shè)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(biāo)均能達(dá)到使用要求的鋼結(jié)構(gòu)材料。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不夠明確的情形下，要能夠依托相關(guān)國外設(shè)計經(jīng)驗或者對應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合性選擇，從而為提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性奠定堅實基礎(chǔ)。

4.4 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震能力

鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計工作中，為確保鋼結(jié)構(gòu)房屋能夠在特殊場景下具有良好的應(yīng)用性能，必須加大對鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能的重視程度。鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡貧げ▉泶_定。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑本身材質(zhì)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(jié)構(gòu)建筑對抗震等級沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，所以在這種情況下，有必要在建筑設(shè)計過程中對引發(fā)地震災(zāi)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)加大重視力度，確保整體抗震能力達(dá)到使用要求。

4.5 承重墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為鋼結(jié)構(gòu)建筑的平面結(jié)構(gòu)通常是矩形的，為了確保建筑物的地震強(qiáng)度，在設(shè)計建筑的結(jié)構(gòu)時，其縱向剛度應(yīng)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(dāng)鋼結(jié)構(gòu)使用一定時間后，如果懸臂梁發(fā)生變形，則應(yīng)將構(gòu)造柱置于懸臂梁的一端，保證各層之間能夠通過構(gòu)造柱連接，解決建筑承重問題。承重墻結(jié)構(gòu)設(shè)計是在鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計中容易被忽略的環(huán)節(jié)，這就要求設(shè)計人員在開展工作是必須強(qiáng)化對承重墻設(shè)計的重視程度，采用創(chuàng)新思維開展設(shè)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(zhì)的選用

設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，應(yīng)在相應(yīng)的文件中注明材料和焊接材料的質(zhì)量等級。確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材應(yīng)具有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、冷彎強(qiáng)度、延伸率等。對于地震頻發(fā)的區(qū)域，應(yīng)特別注意鋼材的抗彎強(qiáng)度比與延伸率的數(shù)值是否符合建筑標(biāo)準(zhǔn)，鋼材應(yīng)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(jié)構(gòu)還應(yīng)具有足夠的抗彎強(qiáng)度。文件中應(yīng)注明塑性變形能力和必要的安全儲備，在達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(jì)浪費[7]。

4.7 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計

近年來，我國在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計方面取得了較大的進(jìn)步，但在彎矩和軸力的耦合效應(yīng)、預(yù)張拉體系等方面仍有許多問題需要改進(jìn)。具體為以下幾點：首先在鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)，許多建筑設(shè)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(yīng)。目前，建筑領(lǐng)域缺乏完善的理論來分析預(yù)應(yīng)力體系。如何分析局部穩(wěn)定與整體穩(wěn)定之間的關(guān)系也是大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一大難題。大跨度結(jié)構(gòu)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(guān)系。目前，學(xué)術(shù)界對隨機(jī)沖擊分析的基本限制是在隨機(jī)載荷范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)參數(shù)較小。事實上，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)響應(yīng)會發(fā)生很大的變化。因此，應(yīng)重點研究隨機(jī)參數(shù)對屈曲失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)類型和跳躍失穩(wěn)的干擾。

4.8 壓型鋼板拉條的設(shè)置

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

5 結(jié)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(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)點及其發(fā)展前景，分析了我國鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑的缺陷，并對設(shè)計要點進(jìn)行了分析。主要可以通過增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)性，提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力等方式提高設(shè)計水平，另外，還可以通過借鑒外國優(yōu)秀的建筑設(shè)計的經(jīng)驗和教訓(xùn)，結(jié)合我國建筑需求，對我國鋼結(jié)構(gòu)房屋建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行改善，減少建筑成本的投入，提高建筑施工質(zhì)量，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的健康發(fā)展。