浅谈建筑工程钢结构的设计方法及设计要点

【摘要】钢结构具有空间跨度大、造价低、结构性能突出、安装便利等优势，使得钢结构的应用越来越普遍。本文从建筑工程钢结构的设计过程、建筑工程钢结构设计方法、建筑工程钢结构的稳定性设计、建筑工程钢结构的设计要点这几方面进行了分析探讨，以供借鉴。

【关键词】建筑工程钢结构；设计方法；设计要点

城市化建设的快速推进，工业化的发展，高层及大型建筑越来越多。使得钢结构应用越来越普遍，以它强大的优势占据着建筑领域相当大的比例。与混凝土相比，它有自重轻、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的优点。

一、建筑工程钢结构的设计过程

1、钢结构详图设计的具体步骤。钢结构详图的绘制工具。首先在做详图之前，我们得了解钢结构的组成，构件的表示方法、焊缝的表示方法等，深化设计的步骤：第一步：熟悉钢结构设计详图；第二步：与相关专业沟通；第三步：建模型、绘制详图。详图设计一般采用CAD或TEK-LA软件建模，另外，中国建研院的PKPM软件也可以做一些详图深化。

2、钢结构设计图和钢结构施工详图的区别。我国钢结构施工图纸的设计分为2个阶段：钢结构设计图和钢结构施工详图。钢结构详图设计看似与钢结构深化设计有所区别，但仅仅是叫法不同罢了，深化设计也叫详图设计，也可以说是二次设计。钢结构施工详图与混凝土的施工图纸有着实质性的区别，钢结构施工详图必须在设计图的基础上进行二次设计，必须以工程设计图纸为依据，结合工程概况、钢结构加工、运输和安装等施工工艺和其他专业的配合进行二次深化设计。其主要内容有：使 用计算机放样制图（CAD）或使用详图软件建立结构空间实体模型制图，提供制造加工和安装的施工详图、构件清单及设计说明。

3、不同软件之间的优劣对比。钢结构详图设计时要编制构件表和材料表，包括从最初的提材料计划开始，拿到图纸分析完成后首先进行材料计划。首先介绍一下深化设计的手段。采用的都是软件，各种软件有各自的优缺点，平时的普通门式钢架类轻钢厂房，要求速度快、工期紧的情况下采用CAD比较快捷方便，CAD强大的图形编辑功能，可以采用多种方式进行二次开发，可进行多种图形格式的转换，比如EXCEL表能方便的运算，之后加载导入到CAD，以方便材料表的绘制。CAD最大的缺点是不能准确直观地看到3D模型，从而会出现一些不必要的错误，导致工地安装困难。而TEKLA和PKPM（STXT）可以直观地看到模型，三维建模软件能自动产生2D加工详图，提供完整的2D图画编辑功能及构件碰撞校核功能，但也存在着缺点，生成的图纸标注不够清晰，不适于车间工人快速视图，所以调图的时间很多。建模出图很快，时间都费在了调图上。鉴于TEKLA出错率低，一般大型的多高层建筑均采用三维建模的深化设计。

二、建筑工程钢结构常用的设计方法

1、塑性设计法。采用塑性设计原则是指结构构件的塑性性质和强度要高于标准荷载的构建乘以安全系数，在构建内力结构分析中一般采用钢塑性分析法或是一阶塑性分析法。塑性设计法的主要优点在于其结构进入塑性后允许进行内力的重分布，但必须要求其构件和结构能有足够的延性，在设计中严格的限制了翼缘和截面腹板的比例尺寸。塑性设计法虽然考虑到了非线性，可以客户存在缺陷的容许应力法，但是在结构设计中依然不能反映出结构构件与材料屈服的扩展。

2、极限状态法。极限状态法是为了克服塑性设计法和容许应力法所存在的缺陷，这种方法主要是采用荷载分项系数和抗力来替代单一安全系数。目前，极限状态法以是我国最常用的设计方法。其结构由于荷载的作用，可在一定的周期内达到两种极限状态，第一种是正常使用极限状态，第二种是承载能力极限状态。承载能力极限状态所对应的是结构的安全性，主要是指构件的塑性变形、断裂等造成的结构破坏。

3、容许应力法。容许应力的设计原则是：其结构计算应力应小于结构构件设计所规定的容许应力。对于结构构件的计算应力要按规定的标准荷载，计算是以一阶弹性理论而得到，是以一个去除材料并大于 1 的安全系数的极限应力或是屈服应力而确定的。容许应力主要存在的缺点在于：第一，不能合理的考虑到结构几何的非线性影响；第二，由于容许应力法采用的是单一安全系数，不能反映出荷载变异和抗力的独立性等。

三、建筑工程钢结构的稳定性设计

在设计钢结构的过程中，需遵循其结构的设计原则，保证钢结构的安全可靠，从而有足够的强度和耐久性，才能具备建筑钢应具备的特点，建筑工程钢结构通过稳定性设计，钢结构才能充分发挥出最大优势。在了解钢结构的设计原则时，首先要能区别强度和稳定问题，强度关键取决于材料特征，对于脆性材料都要取最大强度，如混凝土；对于钢材则取屈服点，而稳定问题在解决强度问题时，需找出其不稳定的平衡状态，这种不稳定状态存在内部抵抗力与外部荷载之间，也就是指变形在快速增长的开始点，通过这样区分，可以指导强度问题最主要就是一个变形问题。

建筑工程钢结构设计稳定性特点分析。首先从建筑工程钢结构整体稳定性来分析，如要保持钢结构的稳定性，需要从结构的整体出发来分析其稳定性。其次，从钢结构的整体刚度和失稳方面来看，应采用现行较为规范的折减系数法和临界压力求解法来进行稳定计算，对于轴心压杆的稳定计算通常用这两种方法。再次，在弹性稳定计算的过程中，不只考虑结构整体性特点，还应考虑到二阶分析，这主要是由于结构内力会受到柔性构建大变形量的一定影响。

四、建筑工程钢结构的设计要点

1、钢材的选择。对于钢结构设计来说，选材是一项极为重要且难度较大的工作。究其原因，一方面是我国钢铁工业迅速发展，钢材的种类繁多，要从众多的钢材种类中选出适合某种建筑工程的钢材是有难度的；另一方面是因为目前钢结构建筑的种类也在不断增加，不同建筑物对钢结构的强度、变形度、疲劳应力等方面的要求也不一致，因此选择合适的钢材显得至关重要，否则就不能发挥出钢结构建筑的功用。

2、判断钢结构的适用性。现今建筑行业中，钢结构多是用于跨度和荷载较大、体型复杂的高层建筑中。要求其能够承受较高的温度、方便拆卸、能够承受大幅度的振动、密封严实，因此在钢结构设计之前必须要对这些方面进行全面的分析，考虑所设计的钢结构是否适用、能否满足要求。

3、加强对钢结构受力体系以及细部节点的设计。在钢结构方案确定以后，必须要立即对钢结构的受力体系以及细部节点进行具体的计算和完善。首先，针对钢结构受力体系设计而言，现今很多钢结构都是采用的杆系结构，这种结构要求钢材强度大、截面尺寸小；在生产的时候可以在现场组装、构件之间的约束作用小。因此其设计的重点是保证构件节点之间的连接稳固性。其次，对于钢结构建筑的细部节点设计而言，钢结构建筑的设计要求细致且设计内容复杂，都需要对细部节点进行严格的设计。

结束语

近几年钢结构的应用范围也越来越广泛，不仅仅局限于轻钢结构和大跨结构，更多的应用于高层建筑中，钢混结构的应用使得结构的抗震性和空间应用更好，容器和管道、高耸结构都在蓬勃发展。在总结国内经验的同时，积极吸取国外同行业的先进经验。

参考文献

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