简述关于现代钢结构建筑设计的步骤

陈文镒

【摘 要】钢结构建筑设计应根据具体条件的不同而有所侧重， 一个好的建筑设计，必须做到形象构思与结构构思的一体化。钢结构建筑的科技含量很高， 结构本身往往就是建筑表现钢结构的表现与工艺不仅是实现形象构思的必要手段， 而且对建筑形影响极为显著， 这就决定了结构构思是形象构思成功与否的关键所在。随着科技的发展，探讨现代钢结构建筑设计具有重要的意义和价值。

【关键词】钢结构；特点；结构设计；加固

钢结构建筑是以工厂化生产的н型钢梁、钢柱（包括н型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱）为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。同传统的砖混和混凝土结构住宅相比，钢结构建筑是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具有自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观%施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。

1 现代钢结构的建筑特点

1 钢结构建筑与传统的砖木结构、钢筋混凝土建筑相比主要有具有以下特点：

（1）造价低、施工进度快

由于安装简便，且采用大规模的生产方式和先进的加工工艺，钢结构建筑的造价比传统建筑大大降低，使开发商、企业能获得良好的经济效益。钢结构建筑通常不受冬季施工的影响，可以迅速的安装、交货，一般在工程合同签订后的4-5个月内建筑物就可安装完成，大约只有钢筋混凝土结构施工工期的一半。

（2）承载能力强、抗震性好

钢材组织均匀、强度高，密度与强度的比值大大小于混凝土、砖石，在同等受力条件下钢结构自重就小，因此钢结构建筑重量一般仅为其设计承载能力的1/6，远小于钢筋混凝土建筑，从而能够设计成高度较高、跨度较大的结构形体。钢结构重量轻，自身所受的地震作用较小，再加上节点力学的特性，钢结构建筑相对于其它传统建筑，自然抗震性能更好。此外，钢结构建筑在被破坏前容易产生较大的变形，所以易于人们觉察和躲避。

（3）移动灵活、外型美观

钢结构建筑可采用螺栓连接，比较容易被转移、拆散，移动性很好。诸如网架结构等钢结构建筑，具有多变的外表和较强的美感，相对于呆板、缺少变化的传统建筑，更加适于表现设计者的想象力。

2 钢结构建筑设计的基本思路

（1）判断建筑结构是否能采用钢结构

钢结构一般用于要求经常装拆或能活动的结构，这些结构具有体型复杂、振动较大、荷载大、大跨度、高层等特点。

（2）结构布置和选型

“概念设计”在整个钢结构设计过程中起着重要的作用，尤其在结构布置、选型阶段更是如此。对一些未确定的规范和难以作出定性分析的问题，可以依据分体系之间的破坏机理、力学关系、震害与整体结构体系以及工程经验所获得的设计思想，从整体角度来确定结构的选型、布置。概念设计的运用可以在设计早期有效、快速地进行选择、构思、比较。这样可避免结构分析阶段无谓的繁琐

运算，所得结构方案定性准确、概念清晰、计算简单。钢结构的布置要综合考虑整个体系性质、特征、荷载分布状况等。钢结构一般可设计成网架、轻钢、平面架、索膜等型式。

（3）结构分析

现在，在实际设计中，钢结构分析一般采用线弹性分析，部分也考虑钢材的弹塑性能和几何非线性分析，这有利于对钢结构进行更加精确的分析。

（4）构件设计

构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235和Q345，通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。从经济角度考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面，当强度起控制作用时，可选择Q345，稳定控制时宜使用Q235。构件设计时，用弹塑性的方法来验算构件截面是现行规范中最常用的。

随着计算机技术的进步，一些设计软件可通过在给定截面库中选择加大一级的方法，将原本验算时不通过的构件进行自动重新分析验算，直到通过为止。它大大减少了结构设计师的工作量。

3 钢结构建筑设计与技术表现

（1）设计的技术表现

钢结构建筑设计创作的难点不少，建筑形象的构思是其中之一。随着信息技术的飞速发展，现代科学思维逐渐融入建筑设计中，使景观、建筑设计方法发生了翻天覆地的变化。它对人类长期形成的传统建筑观产生了较大影响，由此，人们以往对建筑设计方式的认识发生根本改变，追求问题的合理解决，成为当代建筑设计的宗旨，而从前是追求单纯的形体美观。例如，高技派建筑就是其典型代表，它提倡以精细、高超的工艺水平来设计、创造建筑。

（2）建筑细部设计要求较高

由于细部设计将决定一个地方的质量及最终确认性，所以钢结构建筑设计过程中，精致度、复杂化要求越高，细部设计的要求相应也越高。现代钢结构建筑中，桁架、钢柱等结构构件及连接这些金属构件的节点细部，常常暴露在大庭广众之下，从中不仅展现出设计者的能力、智慧，而且体现出技术之美。因而，保持较高细部质量的设计对钢结构建筑而言是十分重要的，理应受到格外的重视。

（3）建筑策划也是设计中的重要影响因素

由于设计者的设计构思往往受到业主设计任务书的重大影响，且建筑设计的一般属性也必须体现在钢结构建筑设计中，所以设计者并不能随心所欲地进行设计。客户希望在确定最终产品的过程中，市场专家、设计者能彼此协作，高效的参与决策，以取得更好的经济效益。在此阶段，建设项目更强调相关各方间的协调合作以及整体设计的观念。专业化的钢结构建筑设计能使设计者和市场专家产生互動、设计资源得到有效整合，从而让业主大大减少项目风险，获得较高的经济回报。

4 钢结构损害的主要因素及加固技术措施

4.1钢结构损害的主要因素有以下这些方面：

（1）由荷载变化，超期服役，规范和规程改变导致结构承载力不足；

（2） 构件由于各种意外产生变形、扭曲、伤残、凹陷等，致使构件截面削弱，杆件翘曲，连接开裂等；

（3） 温差作用下引起构件或连接变形、开裂和翘曲；

（4） 由于化学物质的侵蚀而产生腐蚀以及电化学腐蚀致使钢结构构件截面削弱；

（5） 其它包括设计、生产、施工中的失误及服役期中的违规使用和操作等。

4.2钢结构的加固技术措施主要有三种：

（1） 截面补强法：在局部或沿构件全长以钢材补强，连成整体使之共同受力；

（2） 改变计算简图：增设附加支承，调整荷载分布情况，降低内力水平，对超静定结构支座进行强迫位移，降低应力峰值；

（3） 预应力拉索法：利用高强拉索加固结构薄弱环节或提高结构整体承载力刚度和稳度。

5 结束语

现代建筑设计中采用钢结构的日益增多，以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，钢结构建筑与钢筋混凝土、砌体、木结构建筑相比有一定的差别，钢结构建筑通常由型钢、钢管、钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，有的还用钢铰线、钢丝绳束组成，其连接方式采用焊缝%螺栓或铆钉连接，探讨现代钢结构建筑设计具有重要的意义和价值。科学技术的进步，审美观的改变必然使得钢结构建筑不断地去扩展自身的表达语汇而寻求发展！我们所提倡的是：抛开风格要素，从结构理性主义出发，从现代的和传统的众多风格流派中吸取精华，创造出技术和艺术有机融合的钢结构精品建筑。

参考文献

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[2] 顾纪清，实用钢结构施工手册.上海：上海科学技术出版社，2013.

[3] 张昌平. 碳纤维布加固技术在工程中的应用[ J] . 山西建筑，2014.