建筑工程中不锈钢结构设计要点

2023-11-08张志新

建材与装饰 2023年31期

张志新

（山西五建集团有限公司，山西太原 030000）

0 引言

不锈钢是建筑工程建设中重要的建筑材料，钢结构也是建筑工程关键的结构类型，钢结构施工便捷，施工进度快，可装配，且钢结构自身的重量较轻，方便施工人员操作。为进一步提高钢结构施工便捷程度，优化不锈钢结构设计显得尤为重要。因此，设计人员结合建筑工程实际情况优化不锈钢设计，可充分发挥钢结构作用，能够提高钢结构使用周期。

1 不锈钢材料优势

对比发现，不锈钢材料中含有一定量的铬元素、锰元素、镍元素等，与普通碳钢材料相比，具有显著的应用优势。在建筑工程中实际应用发现，不锈钢材料耐腐蚀效果明显，可应用于桥梁等特殊环境中；同时，不锈钢材料耐高温，可塑性好，方便加工，展现了较好的力学性能优势。另外，不锈钢材料可回收，能够重复利用，环保性能优，与低碳、环保及可持续发展理念相吻合[1]。但是不锈钢材料价格相对较高，在建筑工程具体应用中，需要考虑经济成本问题，加强对建筑工程总成本的控制和管理。

2 不锈钢材料在建筑工程中的应用情况

2.1 应用在围护结构中

不锈钢材料满足了建筑钢结构材料使用需求，当前，不锈钢材料广泛应用在建筑围护结构中，此种结构主要是用于建筑外围防护，进而与外界环境隔离，保护施工现场，方便施工操作，降低对施工周边的负面影响。时间应用中发现，不锈钢围护结构防腐蚀性能好，究其原因发现，其材料优势与美学特性相关；在材料生产、加工或是制作过程中，实施了抛光工艺，不锈钢材料表面光亮，视觉效果好，具有艺术性和美观性，广受建筑行业青睐，消费者的认可度较高[2]。在建筑物外立面安装不锈钢板材，可提高装饰效果，体检建筑美学思想，并在镜面原理下，形成反射效应，更好与建筑物融合为一体，无突兀感，增强了视觉传达设计效果。

不锈钢材料本身的强度较高，力学性能显著，相关数据统计显示，不锈钢材料强度高于的常规的钢材强度，能够提高钢结构的承载力水平，可提高建筑物的稳定性。因此，在将不锈钢材料应用在建筑围护结构中切实可行，减轻围护结构自身重量同时，可减少整体的负荷，对建筑工程造价成本控制也产生了重要的意义[3]。加之，在较强的抗腐蚀作用下，延长了建筑围护结构的使用周期，实现了环保、低碳、经济、绿色目标；可进一步扩大不锈钢材料的应用范围，实现对此种材料的普及推广，充分发挥不锈钢材料的性能优势。

2.2 应用在主体结构中

因不锈钢材料价值作用显著，广泛应用在建筑主体结构中，在具体应用过程中，呈现的是空间结构视觉，最早使用的是不锈钢螺栓球等结构形式，基于装配式钢结构建筑建设规模不断扩大，不锈钢材料广泛应用在复杂空间结构中。有建筑工程中，将不锈钢空间桁架结构作为主体称重结构，使用的构件为不锈钢钢棒、不锈钢无缝钢管等，优选等级性能较高的不锈钢结构材料，并结合建筑工程实际建设需求对不锈钢结构进行深化设计；在建筑工程中可见不锈钢球型网壳结构，使用的是奥氏体316 不锈钢材料，此种不锈钢材料性能高于304 级，屈服强度更高，达到了170MPa，切实满足了建筑主体结构需求。

3 不锈钢结构设计方法

3.1 塑性设计

建筑工程结构构件塑性越好，安全程度也相对越高，为提升建筑工程不锈钢结构安全性，运用塑性设计法切实可行，能够准确分析构件内力结构。分析发现，塑性设计方法优势显著，能够结合设计要求，精准确定不锈钢板材的比例尺，进而保证设计合理。

3.2 容许应力法

此种设计方案，主要是通过计算结构应力，实现对不锈钢结构荷载设计，并基于弹性理论基础上计算不锈钢材料的弹性模量，确保钢结构各项系数控制在合理范围。

3.3 极限状态法

与其他设计方法相比，极限状态法有明显的优势，可保证设计效果，能够提高设计效率。在荷载作用力下，能够确定不锈钢结构的极限状态，进而预测和评估钢结构被破坏可能性，进而保证设计质量可靠，最大程度上提高建筑工程不锈钢结构稳定性。

4 不锈钢结构在建筑工程中的设计要点

4.1 优选不锈钢材料

不锈钢材料本身属于合金材料，材料中的合金含量不同，其材料性能也存在一定的差异性。研究发现，建筑工程中应用较多的是奥氏体不锈钢材料，材料型号很多，不同型号的不锈钢材料轻度、耐腐蚀性等力学性能也不相同，在具体使用过程中，需要结合建筑工程实际施工建设需求选材[4]。同时，强度不同、耐腐蚀强度不一的不锈钢材料单价也有差别，性能越好的不锈钢材料，价格越高，具体使用哪种材料，在建筑设计中，要结合工程施工建设环境、施工条件等因素综合考量，确保选取的不锈钢材料满足工程需求。

4.2 基于不锈钢结构稳定性深化设计

为促使不锈钢结构在建筑工程中的应用可行性，设计人员在设计中，要充分考量不锈钢结构的稳定性，确保提高建筑主体结构的安全性，切实提高建筑主体结构的承重力。分析发现，改变不锈钢结构截面积可提高材料利用率，能够实现对工程造价成本的控制，避免浪费不锈钢材料。工程实践中应用发现，细长构件及轻薄的钢结构容易受外部作用力的影响，会降低钢结构的稳定性，甚至是损坏钢结构。为此，在不锈钢结构设计过程中，设计人员要科学计算不锈钢材料的弹性模量。研究发现，不锈钢材料弹性模量因素与结构稳定性密切相关，当弹性模量越低时，结构稳定性越差；当弹性模型越高，结构稳定性也越高。进一步分析发现，弹性模量的大小与应利用变相关。试验发现，随着应力增加，不锈钢材料的弹性模量也开始下降[5]。为此，提高不锈钢结构稳定性成为建筑工程设计中的重中之重。

不锈钢结构本身是由多个不锈钢构件组装而成，为保证优化设计，于设计前，全分析不锈钢材料稳定性和局部稳定性具有重要意义。通过分析钢结构稳定性，会避免发生不锈钢结构失稳问题，进而提高钢结构的荷载作用力，降低了坍塌风险，保证建筑工程整体建设效果。此外，有必要进行整体稳定性，考量受力作用对不锈钢结构的影响，并在设计环节，严格控制钢结构设计偏差，确保不锈钢各个构件满足安装要求，减少缺陷，促使设计与实际施工保持一致。另有研究发现，不锈钢结构中的构件稳定性直接关乎到整个结构的稳定性，任何一个构件出现问题，均会影响整体机构。为此，对不锈钢构件稳定性进行分析和评估，能够保证不锈钢结构符合建筑工程施工建设要求。在评估过程中，避免出现高估或是低估的情况，避免在压力作用下发生屈曲现象，尽可能减少对不锈钢结构整体的影响，确保将不锈钢构件承载力设计在合理范围内。

4.3 抗震设计

建筑工程抗震性能直接关乎到建筑物整体的稳定性，关乎到主体结构的承载力作用。不锈钢结构作为建筑工程关键承重结构，通过抗震设计，能够提高建筑物整体安全性和稳定性，保障人们生命财产安全。多项研究已经证实不锈钢材料比普通碳钢材料性能更高，因此，在抗震设计方面，设计人员重点考虑了地震作用力下能力损耗情况。为进一步探究不锈钢结构在地震作用下的发生的变化，在具体研究中，通过相关分析方法，了解了不锈钢非线性本构关系。研究发现，对于相对复杂的不锈钢结构，可借助高阶方法开展抗震设计工作；重点加固结构薄弱部位，最大程度上提高不锈钢结构安全性。

4.4 节点设计

不锈钢结构设计环节较多，设计内容繁杂，任何一个环节出现设计偏差，均会影响不锈钢结构性能。对于结构节点来说，主要作用是连接各个不锈钢结构构件，促使多个构件科学组装，进而构件完整的不锈钢结构，可最大程度上提高结构安全性。在具体设计过程中，设计人员严格按照不锈钢结构节点设计原则开展设计工作，确保降低对各个构件的破坏力。

5 建筑工程中不锈钢结构各个阶段设计要点

5.1 初步设计环节

项目初步设计主要是对项目开展可行性进行分析，探讨经济技术指标执行情况，并确定项目建设规模。进而对建筑工程施工工艺加以明确，制定完善的施工方案和施工组织设计说明，分析项目投资可行性。并安排专人是深入施工实地进行考察和勘察，收集第一手工程信息，了解工程地段水文地质情况，了解施工周边环境等，计算工程量，进行不锈钢结构施工范围及施工量评估，进而为设计工作的开展提供科学依据。

5.2 技术设计

在技术设计缓解，重点明确技术类型、技术实施标准，明确不锈钢结构构件尺寸，确定不锈钢构件型号，做好造价预算管理工作。并邀请项目参建各个单位进行设计评估，进行设计图会审，找出设计中出现的不合理之处，并及时进行修正，更好协调多方，确保设计方案具有实际执行的可行性。

5.3 绘制施工图

为促使设计与实际施工相吻合，避免频繁发生变更，施工图绘制过程中，严格按照建筑工程不锈钢结构设计规范进行，绘制出完整的剖面图、平面图屋顶图等。通过钢结构设计，清晰化表达设计的真实意图，降低施工人员的理解难度。对重点部位进行标注，提醒施工人员注意关键环节。设计人员在不锈钢结构设计全过程中，始终秉持着“概念设计”理念，准确把握涉及走向，遵循科学、严谨的设计宗旨，确保不锈钢结构设计合理，充分考虑结构设计安全性和经济效益，更好均衡建筑工程的经济效益和社会效益及生要效益，切实将不锈钢结构设计任务落实到实处。此外，设计人员将多套设计方案进行对比，优选最佳的设计方案，既满足建筑主体结构承载力要求，同时，满足承载构件布局设计，确保简化结构，避免增加配筋率，切实提升不锈钢结构的延性。另外，在不锈钢结构设计中，充分考虑了温度因素的影响，按照均匀、对称的原则深化设计，做好极限状态演算工作，切实提高不锈钢结构设计合理性。

5.4 墙体材料设计

不锈钢材料单价较高，但部分建筑单位过于追求项目的经济效益，在不锈钢材料选择和使用上，以次充好，在设计中往往将建筑墙体结构用材更换为彩色的钢压板。基于建筑行业大环境下，建筑工程中广泛使用的是V 形板、波稳形板墙体材料，在建筑工程中展现了一定的材料性能。但在具体的建筑工程设计中，需要考虑到建筑墙体材料铺设便捷度，要考虑外墙装饰材料的美观性和艺术性，为此，设计中，要明确材料是纵向铺设或是横向铺设；设计人员首选了玻璃面材料、金属幕墙材料，如铝合金板等，并经过多重工艺加工制作，最终应用在钢结构建筑墙体中。研究发现，将不锈钢材料作为墙体装饰材料，切实可行性，能够实现材料与设计的高度融合，实现对工程成本管控同时，提高建筑工程不锈钢结构设计合理性，保证建筑整体施工建设品质。

5.5 功能结构设计

建筑工程功能设计也是设计中的重要环节，不同类型的钢结构建筑，在设计方面上也存在一定的差异性，要考虑建筑排水问题、采光等功能性问题。基于环保、绿色、低碳理念下，部分建筑工程中引入了现代环保材料辅助不锈钢结构设计，进而提高结构稳定性，确保满足建筑功能使用需求，提高建筑物综合利用率。

5.6 防火防腐设计

为提高不锈钢结构防火防腐标准，设计人员在具体设计过程中，重点进行不锈钢结构防腐防火涂装设计，旨在最大程度上提高钢结构耐火性和耐久性。预先准备好防火防腐材料，稳定钢结构自身性能同时，减少钢结构构件质量通病，进而保证建筑工程整体施工建设质量。

5.7 重视钢结构细节设计

建筑工程钢结构细节设计，可预防质量通病的发生，能够提升结构稳定性，进而构建更为完善的钢结构受力体系。通过对不锈钢结构细节部分的设计，进一步完善整体设计效果。包括材料选择、构件约束力计算、结构稳定性等，确保设计符合实际施工要求。尤其是在钢结构构件设计方面，要进行科学的计算，做好相关的验算工作，优化构件尺寸设计、厚度设计，基于不锈钢材料可塑性视角深化设计。进行桁架设计时，要明确桁架腹杆平面内部长度和平面外部长度，确保取值合理。计算钢结构受压构件长细比时，设计人员充分运用角钢最小回转半径优化设计，进而保证获取到设计数据更精准也更完整。此外，要加强对设计人员的专业化培训，普及不锈钢建材知识，促使设计人员全面了解不锈钢结构设计要点，掌握设计技巧，更好将设计理念融入建筑工程不锈钢结构设计中，为建筑行业发展提供保障。