对建筑中钢结构设计的分析

刘涛

摘要：随着现代建筑的不断发展，钢材已成为普遍的建筑新型材料.以钢结构为主体的现代结构建筑成为城市的主体。如何更好的设计出符合新时代要求的铜结构建筑已成为的建筑工作者的工作重要突破点。本文将对钢结构建筑设计相关问题进行深入研究与探讨。

关键词：钢结构；稳定性；设计；分析

1钢结构发展的前景

自改革开放以来，中国建筑业一直在保持高速增长，钢结构建筑作为其重要分支，也作为新世纪引领尖端建筑的肱骨，在新时期的建筑行业里面一枝独秀，其拥有非常辽阔的前景。在国家政府鼓励用钢政策的指导下，钢结构的诸多优势得到广泛重视并迅速推广，从以前的重大工程、标志性建筑使用钢结构到如今的钢结构被普遍使用。目前我国的钢结构设计具有国际领先水平，其体量及工程建设规模均是属世界空前，其发展在我国呈现出一片极好的发展事态。钢产品和建筑钢材品种的增加也为钢结构的发展打下了良好的基础。

根据国家统计局的数据，1996年我国的钢铁产量就突破了一亿吨，成为世界上的钢铁大国。在“十二五”规划纲要里面，2015年建筑钢结构的发展目标，是争取每年全国建筑钢结构的用钢量达到钢材总量的6%。同时在各种钢结构技术如各种反面衬垫方法的双面成型单丝和多丝埋弧焊、龙门架工字梁双侧双丝快速焊接生产线以及各种高效焊接材料的运用推广，为钢结构建筑的发展奠定了坚买的基础。

2钢结构建筑的缺点

钢结构作为一种新的材料，其造价相对于传统的砖混和钢混来说当然会高一些。同时轻钢结构住宅以其特有的钢骨架和墙体，屋面等材料以及标准化、定型化的内部布局和配套设施，不能再任由人们在上面“再加工”，很难适应群众往日对住房可“任意处理”的习性，因为钢结构已经将房屋按设计分割好了，不能再在上面“穿墙凿洞”了。虽然与混凝土结构相比钢结构存在很多的优点，但是由于施工条件的限制，在施工的过程中受到各种因素的制约，在使用钢结构的过程中也会出现相应的问题，在工程建筑中应认识到钢结构存在的问题，及时采取措施进行规避，保证工程建筑的整体质量。

2.1钢建筑材料自身存在的缺点

与混凝土结构相比，钢结构的最大弱点就是耐腐蚀性和抗火性较弱，因此若果在施工的过程中温度超过150摄氏度，那么钢结构就会出现问题。在建筑的过程中就需要对钢结构进行防护，而这些隔热设施的使用又会增加建筑的成本，所以在具体的工程建筑过程中，应该根据工程施工的具体情况，选取结构材料。另外，虽然钢结构就有较高的强度，但是在钢结构的实际应用中，通常选取强度较低的构件，且这些构件的横截面多是以薄壁的形式出现，使建筑钢结构的整体稳定性受到了限制。在具体的施工中通常容易出现只重视钢结构的稳定性忽视了其强度的充分发挥，造成建筑材料浪费的现象，工程的整体质量也得不到保证。

2.2钢结构设计上存在的缺陷

在钢结构的建筑施工过程中，还存在设计不合理的现象，使钢结构的各种特性不能得到充分发挥，增加了钢结构的不稳定性，因此在钢结构的设计过程中必须遵循一定的设计原则，保证工程建筑的稳定性，规避在建筑过程中对钢结构造成的不利影响，保证工程建筑的质量。

3钢结构建筑的设计

钢结构建筑的设计是钢结构成功地运用实例。为保证钢结构建筑合理有效的产生，良好精确的设计是至关重要的。钢结构设计最为关键的两大步骤是正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度。

3.1钢结构预算的设计

钢结构的设计需要十分准确的计算估计。以国家大剧院为例，国家大剧院由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，设计方为法国巴黎机场公司。国家大剧院建筑屋面呈半椭圆形，其结构：212mx143m，跨度>100m，结构方案选屋盖空间结构网壳。但在上机前，结构师把结构的截面高度选得太大，用钢量高达292kg/㎡。根据1963年美国教授史密斯（smithM.G）对166个已建大跨度屋蓋进行的回归分析，这种跨度的网壳结构用钢量不超过80kg/㎡。故而在采取建设的时候，需对其精确核实才能避免错误产生。

3.2钢结构建筑整体与局部精细设计

建筑的设计不仅仅在于外观上的美感，还在于建筑间的互相协调能力。钢结构建筑也是建筑的一种，它在具有钢结构建筑特殊性的同时也具有普通建筑的一般性。所以在满足钢结构特个性设计的同时，也必须满足一般建筑的共性。由于钢结构的特殊性，通常在建造钢结构建筑的时候，会导致部分细节部位出现偏差或者裸露在外。因而在设计钢结构建筑的时候，为力求建筑形象和建筑功能的完美结合的同时，设计复杂化和工程精细化也更加严苛。钢结构建筑具有牵一发而动全身的特点，每一个细节设计、制作、完成都有可能牵涉到整体的形成和完善。有的时候为了体现钢结构建筑独特的金属感，而将其部位、部件裸露在外。这样会更加增加建筑的难度。因而在对钢结构建筑设计时，细节的把握是至关重要的。对整个建筑而言，细节的较高质量将会带来更好地整体效果，为人们展示更美好的形象。

3.3钢结构的稳定设计

在钢结构稳定性的设计过程中，必须对原有的设计方法进行变革，并遵循一定的设计原则。在设计的过程中，充分发挥钢结构的各种优势，同时规避钢结构存在的缺点，使工程建筑的钢结构稳定性更强，保证工程建筑的整体质量。

3.3.1建筑钢结构主体稳定性设计的原则

在建筑钢结构稳定性设计的过程中，应该将钢结构的稳定性与强度区分开来，因为在实际的建筑过程中，只有将二者区分开来，才能保证钢结构的各项优势得到充分发挥。在钢结构的设计过程中一定要以全局的眼光来进行钢结构的整体布局，只有这样才能保证工程建筑的整体稳定性，同时还要保证钢结构的每一个布局的稳定性，因为在工程建筑的过程中，钢结构的整体与局部是相互依存的，在具体的设计过程中，可以在保证钢结构整体稳定性的情况下，设计必要的支撑构件，来保证工程建筑的整体稳定性。

在建筑钢结构稳定性的设计过程中，结构设计简图和计算方法所依据的简图必须在一致的情况下进行，因为在钢结构的实际设计中只对框架柱的稳定性进行设计，而不对每一层框架做稳定性分析，造成这种现象的原因是在工程建筑的过程中，涉及到众多的框架，在实际的工作中对每一个框架都做稳定性分析是不现实的，所以在工程设计的过程中，通常计算框架柱的稳定性，因为在实际的计算过程中，框架柱的稳定性与框架的稳定性是一致的。在进行框架柱稳定性的计算时，需要用到柱长度计算系数。但是在实际的计算过程中，往往容易出现设计的框架不符合实际条件，使框架柱的计算无法具体实行。

在钢结构的细部构造上也应该进行细致的稳定型设计，同样钢结构的构件稳定性也应该被充分的考虑在内。在构件的细部设计上，如果对细部的传递弯矩与不传递弯矩之间的节点有具体的要求，应该在充分考虑构件柔韧性与刚性的情况下，根据工程结构的不同强度要求作出具体的计算。

3.3.2建筑钢结构稳定性的设计特点

在建筑钢结构的稳定性设计过程中，必须先了解设计过程中的特点，只有这样才能保证工程设计的整体质量。首先，在钢结构稳定性的设计过程中，要在钢结构的整体上进行充分分析，保证各个钢件的稳定性。在钢结构稳定性的设计过程中，轴心压杆的稳定性计算通常采用折减系数法或是临界压力求解法，这两种计算方法，对钢结构的失稳及整体刚度的计算具有重要作用。在钢结构的弹性稳定性计算中，应该首先应用柔性构件的第二阶分析法，因为在弹性结构的计算中柔性构件的弹性会对钢结构的整体稳定性产生影响，所以在设计时，应该在钢结构整体稳定性的情况下进行计算，使钢结构的整体稳定性得到保证，弹性较大结构的稳定性也能得到保证，且使这部分建筑结构的精确度更高。

3.3.3在钢结构稳定性设计过程中需要注意的问题

在钢结构稳定性的设计过程中，不能一味的采取统一的设计方法，在实际的设计过程中应该充分考虑工程建筑的具体情况。比如，如今的工程建筑可以分为多层建筑和低层建筑，建筑物的层数不同，对钢结构的稳定性的要求是不同的，通常只有12层以下的建筑材料适用于钢结构，同时为了提高钢结构的稳定性，应尽量设计对称的建筑，保证建筑工程在遇到地震时，具有较高的稳定性，对建筑的损坏降到最低。

在钢结构的建设过程中，还应保证钢构件的稳定性及强度能达到标准，可以根据构件的厚度和长度的比值，设计稳定性最强的构件。如果钢构件在钢结构整体失效前已经发生了屈曲，则需要通过钢构件的屈曲强度来增加构件整体的承载力。在钢结构稳定性设计的过程中，还可以借助于先进的计算机软件，对一些复杂的計算，计算机比人的计算准确度更高，同时也提高了钢建筑稳定性计算的效率，可以将其作为钢建筑稳定性设计的辅助工具。

4钢结构的可持续发展

中国是日前世界上最大的建筑业大国，其建筑的修建多以混凝土和砖体结构构成，根据国建建设部、发改委指出，新时期的建筑要符合十二五纲要的可持续发展。相比于普通的混凝土和砖体的不可循环利用，钢结构材料完全突破了这一点，即便是无法利用上的边角材料，在钢结构领域里面也是可以再次加以利用的。同时它还具有节能高效环保和产业化的优良特点，在相同的混凝土建筑和钢结构建筑里面，钢结构建筑的温度变化小，不受外间环境变化而剧烈变化，结构相对更加轻便简洁，同样的使用面积的建筑，钢结构建筑的占地面积将远远小于混凝土建筑的建筑面积。通过对能源、土地使用资源等各方面对原始材料的节约和可再生的利用，能更好地减少生产、维护费用。

5结语

钢结构设计是艺术与实用的双重结合，结构设计者在确保安全的情况下保证平面的布局规整，完成了建筑体在受力性的干扰下不会存在很严重的扭转反应。所以在工程建筑的过程中，应该尽可能的发挥钢结构的积极作用，重视钢建筑的稳定性设计，同时在建筑的过程中应及时规避缺点，保证工程建筑的质量，只有这样才能保证我国建筑行业的可持续发展。