建筑工程项目设计中钢结构设计方法与思路的研究

骆永生 （安徽享筑工程设计咨询事务所有限公司，安徽 合肥 230601）

社会经济的飞速发展及城市化进程的加快让我国建筑行业有了更广阔的发展前景，人们对建筑工程材料选取的关注度和需求量也一直在持续攀升。钢结构作为一种典型的绿色环保型建筑材料，被广泛地应用于各大建筑工程的主体结构建造。钢结构设计作为建筑物总体结构形象的体现，它的结构稳定性与安全性是非常重要的。然而从我国目前建筑行业中钢结构设计的现状来看，还是存在着许多有待改进的地方，如何完善建筑工程项目设计中钢结构设计的方法和思路，仍是我国建筑行业亟需突破的课题。

1 钢结构优势及设计的基本方法

1.1 钢结构优势

无论是使用、设计、施工还是综合经济效益方面，钢结构与其他建筑材料相比其优势都是显而易见的。其特点及优势具体体现见表1。

钢结构的特点及优势 表1

①结构自重轻，可以大大减少建筑基础造价，满足超高度和超跨度要求。钢结构的密度和强度的比值远比混凝土、砖石等建筑材料小，再加之钢材组织相对更为均匀，接近于各项同性匀质体，其自身结构强度高，弹性模量也大，因此钢结构常被大规模应用到一些跨度较大、高度较高或是对结构形体灵活性要求较高的建筑结构中。而且以钢材为主体结构的建筑比以钢筋混凝土为主的建筑要更节省原材料费用和地基处理费用，这在很大程度上节约了建筑工程成本。

②预工程化程度高，可实现建筑功能和结构一体化。建筑预工程化程度的提高让不同材料、不同制造方法、不同规模的建筑结构配件有了一定的互换性和通用性，也让建筑材料的加工和安装实现一体化，这不仅能有效地提升建筑施工效率、降低建筑施工工期，还能显著降低建筑修建成本、加快房地产行业的资金流通和周转速度，也能使建筑更早地投入使用。

图1 ANSYS 软件对钢结构优化设计流程图

③钢材具有很高的再循环价值，属于绿色环保材料。在建筑工程中剩余的一些钢材边角细料也能够派上用场，且建筑修建不需要制模施工，建筑物翻新或重修时废旧的钢结构材料可利用率依然很高，与混凝土砖块结构的建筑相比，大大降低了资源损耗，也减少了建筑物后期的维护费用。

④延性好且塑性变形能力强，具有优良的抗震抗风性能，能够大大提高住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，钢结构能够避免建筑物的倒塌性破坏。另一方面，钢结构灵活丰实，能实现建筑物大开间、灵活分隔的要求，户内空间可多方案分割，满足建筑物不同使用需要[1]。

1.2 钢结构设计的主要方法分析

钢结构设计是建筑工程项目设计的重要组成部分，对现代以钢结构为主体的建筑物的可持续发展影响深远。钢结构前期的设计工艺非常复杂，对其各项技术指标的检测和测试也十分严格。首先，设计人员根据经验先假定构件截面尺寸，拟出初步方案；然后，利用计算机软件和已有的力学知识对结构进行受力分析和强度、刚度、稳定性计算；最后，设计者对计算机给出结果进行分析，并对方案进行反复计算、修改，直到得出满意的设计方案为止。这种重复设计方法的缺陷在于：设计方法虽然可行，但往往所得结果不一定经济，最终结果的经济性很大程度上依赖设计人员的经验。

国内的钢结构设计软件主要有两大类:一类是中国自主开发的软件，主要是中国建筑科学研究院开发的建筑设计软件系统PKPM系列中的钢结构设计软件STS；上海同济大学土木工程学院开发的空间钢结构系统CAD软件-3D3S等。另一类是专业钢结构公司开发的或设计院持有的国外的设计软件，如上海宝成钢结构持有VP公司的VPcommander软件；天津麦塔力钢构公司、BUTLER公司、清华大学持有REI公司的STAAD软件；芬兰Teklaoy公司的X steel、德赛公司SCIA，REI公司的STAADPRO，SSDD、英国爱司卡特公司的STURCAD等。以ANSYS软件为例，进行结构优化设计的整个流程如图2[2]。

2 建筑工程钢结构设计存在的问题

2.1 钢结构设计质量普遍不高

建筑工程项目设计中，对于钢结构设计这一块的任务是比较繁重和紧迫的，进行钢结构设计所需的人力物力比一般建筑设计方案要多得多，而当前建筑行业对于钢结构设计所掌握的技术及专业人员的素质还十分有限。因此，许多施工单位在承包了项目工程后往往会把工程的钢结构设计任务再进行转包，这在无形中就给建筑设计中钢结构设计埋下了安全隐患。再加之目前还没有相应的法律法规对建筑市场设计资格进行规范和整治，因而不可避免的造成钢结构设计普遍质量不高的情况。

2.2 引用设计方案时不予变通

我国在钢结构设计领域所掌握的技术与某些先进国家相比还存在一定的差距，因此国内设计人员在进行钢结构设计时常常会引用国外的设计方案，这种借鉴思维本身是合理的，但设计人员在引用方案时往往不加变通，甚至是直接生搬硬套地采用，这种没有考虑到建筑工程实际情况而盲目挪用设计方案的做法会让钢结构设计的实用性大打折扣而造成建筑企业的经济损失。

2.3 防火防腐问题没有妥善解决

钢结构在一般室温条件下其承重力和强度还比较稳定，可一旦建筑物发生火灾，钢结构就极有可能出现变形和垮塌。据相关数据显示[3]，当钢结构受热100℃～150℃时，钢结构的塑性会增大，同时钢结构的抗拉强度会明显降低；当温度超过400℃时，钢结构的抗拉强度和弹性模量就会急剧下降，很快失去承载能力。其次，钢结构抗腐蚀性能较差也是影响其结构设计稳定性的一个重要因素，尤其是当钢结构长期处于湿度较大、有侵蚀介质存在的环境中时，会更容易生锈腐蚀从而削弱钢结构的承载能力。因此，对钢结构进行设计时还应综合考虑钢结构的耐腐耐高温问题，采用耐火抗腐的材质或涂料对钢结构进行前期的维护。

3 钢结构设计方法与思路的改进措施

3.1 遵循设计方案，做好细节工作

为了使钢结构设计更具科学性和实用性，设计人员必须首先制定精准切实的设计方案，并严格按照制定的设计方案来进行施工处理。除此之外，还要认真做好各处细节工作，如钢结构的形式的选取和布置，钢结构设计图纸的编制等等。钢结构主要有平面架、索膜、框架、网架、轻钢等结构形式，每个结构形式都有其自身的特点及优势，从全局角度对钢结构形式进行选取和布置。需要注意的是，钢结构设计方案完成后，不能立刻投入到建筑施工中去，而应该对其进行审查和测试，当确定钢结构设计方案科学、合理后再投入使用，这样能够有效地规避建筑工程项目设计中钢结构设计的潜在风险。

3.2 加强设计深度，确保结构稳定

建筑工程项目设计中钢结构设计必须以实用性、安全性、稳定性、合理性、耐久性为原则，不能盲目引用或模仿国外的设计方案，更不能只以追求表面功能和暂时的经济效益为目的，忽略对钢结构在建筑内部的承重性能和作用力的要求。优质的钢结构设计成果都是在持续深化其功能性和设计深度的基础上来实现的，钢结构应用的环境多而复杂，因此在钢结构的防腐、防火设计上应当引起高度的重视。要达到钢结构防腐的效果，通常的做法是涂防腐防锈涂料在钢结构的表面，以达到阻断侵蚀性物质附着、延缓钢结构腐蚀的目的。其次，设计人员要结合相应的规范进行防火设计，比如将防火、耐高温涂料涂在钢结构表面，以此来提升钢结构的防火能力，尽可能地避免建筑发生火灾时钢结构变形或脱落导致建筑失稳和坍塌。

3.3 加大监管力度，规范设计管理

钢结构设计的高技术含量及其设计的特殊性要求建筑工程项目承包商和设计单位必须拥有专业的资质和人力、物力资源，妥善落实好钢结构构件的质量、钢结构设计的能力及钢结构施工安装的技术等。相关监管部门必须加强对钢结构设计工作的监督力度，在对建筑工程项目设计中钢结构的设计方案进行审查时，一定要严格细致，精准到位，健全相应的监管制度和监测制度，确保钢结构设计及钢结构运用满足工程建设的要求。

4 结 语

钢结构在建筑工程项目设计中的展现出来的优势是非常强大的，现今工艺与技术的进步让各类型的建筑钢材层出不穷，这些钢结构在建筑中运用的比例日渐增大，但钢结构设计的完善也不是一朝一夕的事，它需要设计人员和施工人员持续深化对钢结构设计的认识和掌握，不断从实践中总结钢结构设计的经验，在保证建筑工程项目结构质量和稳定性的同时，也能实现对建筑美学的要求。

[1]丁亮.建筑工程项目中钢结构设计的稳定性探究[J].四川水泥,2015(4).

[2]张文龙，管晓慧.建筑结构设计中钢结构设计的重要性与策略探讨[J].黑龙江科技信息,2015(14).

[3]王辉.高层建筑中钢结构设计分析[J].门窗,2014(5).