对钢结构设计探讨

摘要：作者根据我国现阶段钢结构设计中存在的一些技术问题，并加以分析，提出的一些建议供设计人员参考。

关键词：钢结构，设计，节能

一、前言

随着我国钢产量的快速增长，经济的不断发展，对绿色环保型建筑的不断要求，钢材应用于建筑主体结构是历史所趋，用钢政策由限制用钢到合理用钢再到积极用钢，我国钢结构产业化进程正在加速发展，发展以标准化、系列化、通用化， 以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的现代化体制。有不少项目都是结构建筑方案新颖，结构受力合理，节省钢材，符合我国国情的好作品。但也应该指出，当前一些重大项目都由国外设计，其中不少项目结构方案不够合理，用钢量太大，造价惊人，不符合中国国情。面对当前大批工程上马，我们的设计体制、设计理念、设计水平、设计质量、设计人员素质还远远不能适应，还有许多亟待解决的问题。

二、钢结构的建筑设计问题

1．钢结构设计的建筑表现

建筑形象的构思是一个概念形象的创作过程，是建筑创作的难点之一，也是建筑设计中备受关注的核心问题之一。其核心是要以精致的节点和精细的加工来体现高超的建筑技艺， 以更高的工艺水平来设计和“制造”建筑。

2．钢结构建筑的细部设计

钢结构建筑设计的复杂化与精致度要求越高，对细部设计的要求也越高。因为细部设计决定一个地方最终是否得到确认及其优良的质量。在现代钢结构建筑中，各种金属结构杆件，连接金属杆件的节点细部，常常暴露在外，使建筑带有强烈的科技感，值得提倡。

3．钢结构建筑的防火设计

钢结构是不耐火的结构。钢结构在火灾烈焰下，构件温度迅速升高，而钢材的屈服强度和弹性模量却急剧下降，结构变形迅速增大，最终导致结构倒塌。美国“9•1 1事件” 中世贸大厦的倒塌就形象地说明了这个问题。为此，需要对钢结构中的梁、柱、支撑等承重构件和组合楼盖体系的压型钢板作防火处理，常见的钢结构有防火板包裹，防火喷涂，复合防火等。目前应用最多、是工业最方便的是喷涂防火涂料。

4．钢结构建筑的防腐设计

钢材如果长时间暴露在室外受到风雨等自然力的侵蚀，必然会生锈老化，其自身承载力会下降，建筑的美观也会受影响。因此防腐问题也是需要解决的常见问题， 目前的做法主要是采用新型防腐和构造材料。但是目前的防腐技术最多能保证2O年左右，对于常规设计基准期为5O年的建筑而言，后期第二次防腐处理是相当困难的，尤其是一些前期隐蔽工程。所以钢结构防腐需要一次彻底的技术革新。

5．钢结构建筑的保温设计

钢结构建筑的“热桥”和“冷桥”问题相对突出，而目前对此解决办法有两种较为有效：①研制、优化保温材料的构造，提高建筑热环境性能。可运用高效节能玻璃，硅气凝胶，新型节能墙体材料，达到节能的目的。②防止保温材料凝结水外保温和中间保温作法，可防止保温材料由于蒸汽的渗透积累而受潮。

6．钢结构建筑的隔声设计

噪声与建筑密不可分，噪声污染的防治与治理已经成为建筑声学重要的组成部分。可以在外墙使用隔声性能较好的材料或结构，如砖、混凝土、纸面石膏板墙等，观察部分使用隔声窗，进出部分使用隔声门或吸声通道等。

三、钢结构的结构设计问题

1．钢结构的稳定设计

稳定性是钢结构设计中的一个突出问题， 在各种类型的钢结构设计中， 都会遇到稳定问题。钢结构中的稳定问题也是钢结构设计中亟待解决的主要问题， 一旦出现钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失， 甚至会造成人员的伤亡， 这方面的教训也很多。所以我们在钢结构设计中， 一定要把好这一关。目前， 钢结构中出现的失稳事故大多是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚， 对如何保证结构稳定缺少明确的认识， 造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此， 在设计中应该明确钢结构稳定的一些基本概念， 才能更好地处理钢结构的稳定问题。

2．围护结构中檩条的设计

檩条通常是风荷载工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，在上下稳定均需要拉条约束时，在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑， 如拉条、斜拉条、撑杆能正确设置， 但对中间墙面或屋面， 如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗(采光窗)等处， 经常只设拉条， 而漏设斜拉条和撑杆等， 根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚， 同时也是对规范条文只知其然， 不知其所以然， 从而给围护结构的设计带来安全隐患。

3．隅撑的设计

设置隅撑是保证梁柱构件整体稳定的主要措施，隅撑间距是梁柱计算时确定的，大小规格也需通过计算确定。若因特殊原因不能设置隅撑， 应采取可靠措施保证梁柱翼缘不会因失稳而屈曲，否则存在安全隐患。所以在轻钢结构和多高层框架结构的一些关键部位均要设计隅撑。

4．柱脚的锚栓设计

规范规定，钢结构柱脚锚栓按承受拉力计算，水平力由柱脚底板与混凝土的摩擦或设置底板抗剪键来承受，锚栓不得承受水平力。目前设计师一般按设计软件的信息设计抗剪件，基本能保证规范要求，但是对于抗剪件的设计和计算却缺乏相应的规定。另外，对有些承受拉力柱脚的锚栓设计目前也没有相应的设计规定。

四、钢结构的图纸设计质量

1．设计项目层层转包造成设计质量下降当前各大设计院任务重，而且在钢结构设计人员的储备不足，而钢结构部分却是费工费力收费低，不愿意承接钢结构设计任务，往往委托专业钢结构公司设计，而大部分钢结构专业公司没有设计资质，存在买图签的现象。另外，设计人员水平参差不齐，经专家审查后发现，设计方案、计算模型、抗震设计理念都存在很多问题。

2．施工图深度不够

设计院将自己的设计任务转嫁给加工企业，造成质量下降。不少设计单位钢结构的设计水平比较低，对关键技术不进行研究，对所设计的成果心中没底，只给出“构件布置图”就算完成了任务，而有些布置图只是一个简单的单线条图，对关键的“节点设计”不分具体情况一律采用“全焊接节点”。而“全焊接节点”在高烈度地震区使用是有安全隐患的。虽然，国家规定钢结构图纸分两阶段设计，施工图在设计院，加工详图在加工厂，但是由于施工图的深度不够，往往导致加工图纸拆图困难且达不到原设计的要求。

3．设计与施工不能很好衔接

一些设计人员出于经济利益，整天埋在办公室的图纸堆里，理论脱离实际，不深入现场，不了解施工，不清楚自己的设计方案能否施工。严重者会给施工带来极大困难，总的造价大量增加。往往导致工程边施工边变更，最后变更图纸比原设计图纸都多。

五、结语

当前，我国钢结构发展的形势很好， 目前应大力加强和提高各级设计人员的设计水平，做到理论与实践相结合。应充分发挥各高等院校、学术团体等作用，举办钢结构技术讲座、规范设计等，加以促进我国钢结构的蓬勃发展。通过几年的工程实践，笔者有以下几点建议：

(1)认真学习技术规范，不仅要熟悉规范的条文，还要切实理解条文原理及其应用条件：

(2)通过对技术规范、力学知识、结构原理的学习，建立清晰的结构概念，这样才能正确处理实际工程中遇到各种非常规问题：

(3)了解施工方法、材料供应、市场价格等各种相关知识，提高设计人员的综合素质和设计水平，使结构设计不仅从技术上可行，还应争取在经济上最优，这样才能促进钢结构设计的健康发展。