建筑钢结构工程设计及其注意事项

高新霞

摘    要：随着高层、大跨度以及对使用空间、外部造型有特殊要求的建筑日益增多，钢结构的应用也随之增加。由于钢结构构件之间的空间位置关系复杂、节点形式多变，而且对加工精度、装配质量均有极高要求，因此钢结构设计中的结构形式、节点设计以及材料与加工工艺选择比较复杂，与传统的建筑结构设计理念、方法和要求有明显不同。本文基于對钢结构特点的简要介绍，分析了钢结构工程设计的要点，探讨了在具体工程的钢结构设计中，如何利用计算机软件进行科学的受力分析，优化整体结构、构件以及节点的设计，为后续加工与现场装配施工提供详尽的依据。

关键词：钢结构;设计要点;优化策略;建筑

1  引言

使用钢材做为建筑、桥梁等大型工程的结构材料，需要解决其易腐蚀、耐火性能差以及容易出现工艺性变形和残余应力等缺点。近年来由于新材料的研发以及信息技术在工程设计当中的应用，能够通过合理运用防腐防火涂料、深化结构形式、加工和装配工艺设计等手段，保障复杂、大型钢结构的稳定性与耐久性，使得钢结构在工程设计中出现的频率越来越高。

2  钢结构设计的特点

钢结构与传统的建筑工程主体结构相比优点与缺陷同样突出，结构设计、加工工艺以及装配技术设计环节是弥补不足而发挥其优势的关键。首先钢材相比传统建筑主体材料具有优越的工艺性能，可以根据构件设计、安装要求运用工业生产设备进行精确的加工，而且由于具有良好的塑性、抗拉、抗压等力学性能，使得其整体结构轻便、抗震并且在空间构造形式上十分灵活。因此钢结构建筑能够适应复杂、个性化的建筑风格，提高内部空间的利用率，而且基于预制装配式施工，能够缩短工期，解决传统建筑工程施工带来的多方面环境问题。但由于钢材的热物理性质比较特殊，在发生火灾时会在短时间内整体结构失稳，而且极易受到环境中各种介质的腐蚀。因此在建筑工程设计中应用钢结构，需要依据相关设计规范选择耐火、防腐技术对构件进行处理，并且进行规范化的结构受力分析，确定其构件几何形状、尺寸以及节点连接方式等。

3  设计要点

建筑工程的钢结构依靠构件之间的节点连接为一体，既需要具有整体性和足够的刚度，又必须有一定的弹性和抗变形能力。因此在设计过程中不仅需要考虑整体的承载力，为了保障其稳定性，还需要进行各个节点、构件的荷载分析，基于建筑的抗震设计等级、整体结构特点以及使用要求等，优化钢结构的节点、构造以及工艺设计，确保其加工和装配施工的顺利进行。

3.1  结构设计

根据建筑使用功能、造型以及主体结构的特点，钢结构的设计有多种结构形式可供选择，通常在相对简单、平面布局的工业厂房设计中，建筑主体可以使用简单的梁柱结构，构件之间的衔接关系、空间位置也都十分简洁，无需对过多构件与节点进行单独设计。而大型场馆以及高层、超高层建筑，其钢结构做为主体结构或其重要组成部分，既要有足够的稳定性与承载力，还需要满足建筑外型或内部空间构造要求。因此构件的形状、断面结构以及连接节点的空间分布都非常复杂，需要在大致确定整体结构之后进行构件的分解，细化节点连接形式以及构件的形状、材料与加工工艺设计，为构件预制和现场装配施工提供详图。

3.2  节点设计与材料选择

建筑钢结构的节点空间位置、连接形式设计决定了整体结构的稳定性、构件加工与装配施工工艺的可行性。在整体结构的形状、构造以及布局确定之后，首先需要根据建筑钢结构的抗震等级、设计规范，分析评估各承重构件所受的荷载大小、方向，确定构件拆分方案以及节点的位置、数量。其次根据梁、柱等构件之间节点的连接性质，选择相应的力学分析模型，对构件的受力进行分析计算，得到具体的抗压、抗剪强度等设计参数，进而进行构件以及节点构造的深化设计，绘制标有明精确的工艺参数、质量要求的施工详图[1]。而建筑钢结构的材料选择则需要根据构件的受力分析结果、建筑钢结构设计规范，选择各项性能符合要求的型钢，明确其型号、性能指标以及防腐、防火处理要求等。

3.3  构件的加工与装配工艺

通常传统的建筑结构设计无需对具体的施工工艺提出详细要求，但钢结构在整体结构以及构件形状、节点连接形式确定之后，则需要基于深入的分析，对构件的加工、焊接等节点施工工艺进行深化设计，才能保证钢结构在安装完成后空间位置精度、构件残余应力以及焊接质量等满足结构稳定性和耐久性需要。否则极易因节点衔接的误差累计、构件残余应力超标以及焊缝存在质量缺陷等问题，导致整体结构变形或达不到预期的使用寿命。因此首先在深化设计阶段，需要与钢结构构件的加工方进行必要的沟通，根据其场地、设备以及技术状况，深化构件的工艺设计[2]。尤其是针对结构、形状复杂以及需要使用焊接工艺的构件，应明确焊接方式、材料与设备应用以及焊缝质量评定方法等。其次还应基于梁、柱等大型构件的运输、装配工艺需要深化设计，确保其能够顺利进入现场完成吊装。

4  具体工程设计中的注意事项

不同类型建筑的钢结构设计和施工难度有明显差异，对于空间结构复杂、节点数量多而连接形式多样的大型建筑工程，为保障施工过程的顺利进行以及建筑钢结构的安全性和或耐久性，应合理选择和运用计算机软件，对各关键构件、节点进行科学的受力分析，优化其结构设计与加工、装配工艺。

4.1  保障设计深度并为构件加工与装配提供详尽依据

尽管钢材具有良好的工艺性能，理论上能够满足所有个性化的建筑造型、空间分割需要，但要想保障钢结构的承载力与稳定性，则必需在整体结构形式确定之后进行科学的构件分解、节点连接方式、加工与装配工艺设计，获取具有科学依据的形状、位置参数，才能有效控制钢结构的加工、施工质量[3]。因此首先构件的设计不能直接套用类似工程的结果或者只提供结构设计方案，而是要结合工程的具体设计要求、构件加工设备以及现场场地条件，以保障加工工艺、现场施工组织计划的可行性和施工质量为目标，逐一进行深化设计并绘制详图。其次大型建筑工程的钢结构设计、构件加工以及装配施工过程衔接密切，设计人员应全程关注施工进展并通过优化设计解决出现的问题。

4.2  合理选择设计软件与分析模型

计算机软件是进行钢结构设计的关键工具，无论是力学分析模型的选择或构建、绘制施工详图还是优化构件加工与装配施工工艺，都需要借助专业计算机软件系统完成。但要想保障设计质量则必需熟悉不同软件的功能以及不同数学分析模型的原理，才能确保所得参数的科学性。首先在进行节点连接方式设计以及构件荷载分析、强度计算时，需要根据节点的连接方式正确选择分析模型与计算规则，以保障刚性、铰接等不同节点的设计科学合理[4]。其次在进行深化设计时可利用BIM软件的模拟施工、三维可视化显示功能，对空间相对位置复杂且难以在二维图形中表达的部分进行优化。

5  结束语

建筑钢结构对设计深度要求极高，而且需要进行复杂的荷载分析、强度计算以及工艺评价，因此目前大型钢结构建筑工程倾向于采用设计施工总承包模式，基于BIM技术的利用进行全程的优化设计，以便设计、构件加工与现场安装深度配合，既能够保障施工质量又可以发挥出钢结构各方面的优势。

参考文献：

[1] 姬爽，王辰.探析建筑钢结构工程设计的要求及其设计要点[J].中国住宅设施，2019（5）：6～7.

[2] 乔聪，尹淑杰，马元洁.试析建筑钢结构工程设计及其注意事项[J].河南建材，2019（3）：1～2.