淺談工業鋼結構設計

王美言WANG Mei-yan

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

（Beijing General Research Institute of Mining &Metallurgy，Beijing 100160，China）

1 鋼結構應用及鋼結構設計目前現狀

在現代的社會，鋼結構已經是主要的建筑材料之一，在各個領域都有很大的作用，鋼結構技術與其他建筑材料相比是有著很多優點：首先，鋼材本身具有強度高、連接方便可靠、可回收再利用、不污染環境等優點；其次，鋼結構體系具有自重輕、安裝容易、施工周期短、抗震性能好等優勢。在實際設計中，其材料力學性能的可靠性及結構形式的靈活性也使得鋼結構的優勢得以進一步顯現。因此近年來無論國內還是國際上，鋼結構的舞臺越來越大，應用越來越廣。鳥巢和央視大樓中鋼結構的應用可以說是近年來的代表。

目前鋼結構或者應用大量鋼材的混合結構的應用實例很多，更多的為人熟知的是其在高層、超高層及大型公共建筑中的應用。這些項目一般在社會上的影響力非常大，經常為一個城市甚至一個國家的地標性建筑。能夠在這樣的項目中得到大量應用，充分證明了鋼材及鋼結構體系在結構設計中所占有的重要位置。

隨著工業生產技術的不斷進步，鋼材的種類也日益繁多，尤其是高性能鋼材的產品逐漸占據市場的主體，其應用必將更加廣泛。更為重要的是，計算機技術的發展為鋼結構設計軟件甚至計算理論帶來的更大的益處。目前鋼結構計算軟件越來越多，各種技術理論的應用也越來越全面，鋼結構在有限元及空間作用的研究及應用會越來越普及。

盡管大量地標性建筑更為人所知，不過鋼結構在應用上更多的是在工業建筑領域，其在工業領域的應用也更為悠久。目前大大小小的工業廠房或者生產線，多數都離不開鋼結構。不過與其在民用項目中的紅火現象不同，鋼結構在工業設計上并沒有更大的發展。可能其中的原因是很復雜的，也是多方面的。個人認為主要的原因有以下兩點：首先，工業設計用鋼結構體系比較成熟固定，概念清晰，歷史悠久，得到了很多事實上的經驗及驗證。其次，工業項目的開發上有其獨特的方面，體系優化和材料用量更多的時候并不是考慮的主要的因素。與其它因素綜合在一起，工業鋼結構在設計上的發展比較緩慢。更多的潛力很好的設計人才對工業設計的興趣比較低，導致目前總體上相對于民用設計來講，工業的設計人員能力和潛力都稍微落后。

2 鋼結構在工業設計中的重要性

我們知道農業是我國國民經濟的基礎，因為它提供人民的基本生存保障。但在整個國民經濟中光靠農業是遠遠不夠的，其它產業部門，如工業、交通、商業等都必須大力發展，尤其是工業，它是國民經濟的主導產業。一個國家工業發展水平就代表了其經濟發展水平，世界上的發達國家都是工業化國家。作為發展中國家，與發達國家相比，我國的工業還存在許多問題。比如總體水平低，現代化程度差，科學技術上明顯滯后，工業生產效率也較低。因此，工業經濟的轉型勢在必行。

配合著工業方面的轉型，鋼結構在工業領域的應用也將進入到一個新的階段。在這個階段中面臨著一定的考驗，但更多的是機遇。對于工業來講，鋼結構的應用范圍相當廣泛，歷史也相當悠久，其體系也較為成熟和固定。工業中體量大小差異很大的建、構筑物很多，需要滿足的功能要求也多種多樣，各方面的限制因素等都導致結構樣式要比較靈活，因此鋼結構的應用必將占據很大的部分。輔助材料的性能發展，如防火材料、防腐蝕材料及保溫材料等，也使鋼結構能滿足越來越高的使用上的要求。隨著時間的不斷推移，工業與鋼結構之間形成了一種相互促進、互利互惠的關系。這種關系也決定了兩者緊密的聯系。

3 工業鋼結構設計的內容

工業設計目前看起來在軟件的應用深度上落后于民用設計，但是工業設計的內容對于一名設計人員來說可能反而是更有挑戰性的。工業設計對于設計人員的要求更加全面，要求對不同的結構形式都要比較熟悉，對各種結構體系都要有一定理解，基本的結構概念要很清晰。正是因為設計要求及設計內容上比較復雜，因此對設計人的結構基本知識及對實際問題的分析能力要求很高。一旦在分析當中出現不合理或者有所遺漏的狀況，結構的安全性將會受到直接的影響。對于其中的鋼結構設計而言，不同于混凝土結構。在方案設計階段，鋼結構可以選擇的結構形式更多，不過需要考慮的因素也更復雜：經濟因素、設計周期及施工周期、材料采購及運輸等。鋼結構一般受力更為明確，也更直接；在靜定結構體系中，結構體系的完整性和結構構件的重要性都比一般的混凝土結構更高。在設計過程中，除了結構主體計算之外需要考慮更多的因素，節點設計、加工、安裝、運輸、防火防腐蝕等都要根據具體的情況選擇不同的方式。

工業鋼結構大的結構形式一般包括：框架、排架、網架、剛架等，還包括諸如煙囪等特種結構，以及桁架等較大跨度結構等。工業改造項目經常也是以鋼結構為主，需要根據具體的形式選擇不同的結構體系或者構件。在結構設計時，對于墻面板、屋面板及平面鋼板作用對結構的影響是不可忽略的，需要我們根據不同的條件及要求予以考慮。對于這方面的認識隨著各種概念的不斷成熟，將會在實際中有更多的應用。除了對鋼結構體系要很熟悉之外，鋼結構對于單個構件的設計計算也很重要。在構件的計算中也需要考慮很多的因素：構件的強度計算、穩定性計算、變形計算等。在有需要的時候還要進行疲勞計算，塑性設計，動力計算等。在這個過程中有很多需要根據實際情況進行假設或者調整的地方，比如平面內外的支撐長度，剛接鉸接和實際能達到的效果的判斷等。最后的節點設計需要考慮從最開始的計算條件、制作安裝等全過程的狀態，也是使結構實際與計算相符合的關鍵。

4 工業鋼結構設計的前景

由上面的分析可以看出，工業鋼結構的設計與民用的差別較大，盡管目前來看在現代化的計算理念的深度應用上還有很大的進步空間，但其對于設計人員的基本知識及能力要求還是很高的。目前我國工業的發展在轉型階段，不過工業發展肯定是不可替代的，因此工業會不斷進步，工業鋼結構的應用前景也是十分光明的。鋼結構設計在板、殼等的考慮上還有大的提升空間，隨著計算分析軟件的進步，將會使得鋼結構在保證安全性的前提下經濟性也有很大的提高。目前比較典型的輕鋼結構以其100%可回收的優勢、簡單快捷的安裝和輕便經濟的用鋼量受到了行業的青睞。尤其是輕鋼住宅系統，在傳統的工業廠房之外，開辟了工業輔助用房領域。目前，輕型鋼結構由于更好的經濟性、設計施工的規范性、良好的美觀效果、環保節能，以較高的增長率快速發展。

在工業經濟轉型后，相應的結構設計必將會隨之有一個較大的改變。由于環境的不斷惡化，我們今天更加注重環保，提倡綠色建筑。綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。鋼材作為一種可以回收加以重復利用的環保建筑材料，無論是與傳統的材料木材及磚石，還是現在應用范圍最廣的鋼筋混凝土材料相比都有很大的優勢，其能在全周期內很好的滿足綠色建筑的要求。因此從各方面可以看出，鋼結構在工業設計上即將會有一個全新的、更為廣闊的發展。

[1]《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊[M].中國建筑工業出版社，2004.

[2]鋼結構設計規范[S].中國計劃出版社，2003.

[3]綠色建筑評價標準[S].中國建筑工業出版社，2006.