淺談建筑工程鋼結構的設計方法及設計要點

【摘要】鋼結構具有空間跨度大、造價低、結構性能突出、安裝便利等優勢，使得鋼結構的應用越來越普遍。本文從建筑工程鋼結構的設計過程、建筑工程鋼結構設計方法、建筑工程鋼結構的穩定性設計、建筑工程鋼結構的設計要點這幾方面進行了分析探討，以供借鑒。

【關鍵詞】建筑工程鋼結構；設計方法；設計要點

城市化建設的快速推進，工業化的發展，高層及大型建筑越來越多。使得鋼結構應用越來越普遍，以它強大的優勢占據著建筑領域相當大的比例。與混凝土相比，它有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優點。

一、建筑工程鋼結構的設計過程

1、鋼結構詳圖設計的具體步驟。鋼結構詳圖的繪制工具。首先在做詳圖之前，我們得了解鋼結構的組成，構件的表示方法、焊縫的表示方法等，深化設計的步驟：第一步：熟悉鋼結構設計詳圖；第二步：與相關專業溝通；第三步：建模型、繪制詳圖。詳圖設計一般采用CAD或TEK-LA軟件建模，另外，中國建研院的PKPM軟件也可以做一些詳圖深化。

2、鋼結構設計圖和鋼結構施工詳圖的區別。我國鋼結構施工圖紙的設計分為2個階段：鋼結構設計圖和鋼結構施工詳圖。鋼結構詳圖設計看似與鋼結構深化設計有所區別，但僅僅是叫法不同罷了，深化設計也叫詳圖設計，也可以說是二次設計。鋼結構施工詳圖與混凝土的施工圖紙有著實質性的區別，鋼結構施工詳圖必須在設計圖的基礎上進行二次設計，必須以工程設計圖紙為依據，結合工程概況、鋼結構加工、運輸和安裝等施工工藝和其他專業的配合進行二次深化設計。其主要內容有：使 用計算機放樣制圖（CAD）或使用詳圖軟件建立結構空間實體模型制圖，提供制造加工和安裝的施工詳圖、構件清單及設計說明。

3、不同軟件之間的優劣對比。鋼結構詳圖設計時要編制構件表和材料表，包括從最初的提材料計劃開始，拿到圖紙分析完成后首先進行材料計劃。首先介紹一下深化設計的手段。采用的都是軟件，各種軟件有各自的優缺點，平時的普通門式鋼架類輕鋼廠房，要求速度快、工期緊的情況下采用CAD比較快捷方便，CAD強大的圖形編輯功能，可以采用多種方式進行二次開發，可進行多種圖形格式的轉換，比如EXCEL表能方便的運算，之后加載導入到CAD，以方便材料表的繪制。CAD最大的缺點是不能準確直觀地看到3D模型，從而會出現一些不必要的錯誤，導致工地安裝困難。而TEKLA和PKPM（STXT）可以直觀地看到模型，三維建模軟件能自動產生2D加工詳圖，提供完整的2D圖畫編輯功能及構件碰撞校核功能，但也存在著缺點，生成的圖紙標注不夠清晰，不適于車間工人快速視圖，所以調圖的時間很多。建模出圖很快，時間都費在了調圖上。鑒于TEKLA出錯率低，一般大型的多高層建筑均采用三維建模的深化設計。

二、建筑工程鋼結構常用的設計方法

1、塑性設計法。采用塑性設計原則是指結構構件的塑性性質和強度要高于標準荷載的構建乘以安全系數，在構建內力結構分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設計法的主要優點在于其結構進入塑性后允許進行內力的重分布，但必須要求其構件和結構能有足夠的延性，在設計中嚴格的限制了翼緣和截面腹板的比例尺寸。塑性設計法雖然考慮到了非線性，可以客戶存在缺陷的容許應力法，但是在結構設計中依然不能反映出結構構件與材料屈服的擴展。

2、極限狀態法。極限狀態法是為了克服塑性設計法和容許應力法所存在的缺陷，這種方法主要是采用荷載分項系數和抗力來替代單一安全系數。目前，極限狀態法以是我國最常用的設計方法。其結構由于荷載的作用，可在一定的周期內達到兩種極限狀態，第一種是正常使用極限狀態，第二種是承載能力極限狀態。承載能力極限狀態所對應的是結構的安全性，主要是指構件的塑性變形、斷裂等造成的結構破壞。

3、容許應力法。容許應力的設計原則是：其結構計算應力應小于結構構件設計所規定的容許應力。對于結構構件的計算應力要按規定的標準荷載，計算是以一階彈性理論而得到，是以一個去除材料并大于 1 的安全系數的極限應力或是屈服應力而確定的。容許應力主要存在的缺點在于：第一，不能合理的考慮到結構幾何的非線性影響；第二，由于容許應力法采用的是單一安全系數，不能反映出荷載變異和抗力的獨立性等。

三、建筑工程鋼結構的穩定性設計

在設計鋼結構的過程中，需遵循其結構的設計原則，保證鋼結構的安全可靠，從而有足夠的強度和耐久性，才能具備建筑鋼應具備的特點，建筑工程鋼結構通過穩定性設計，鋼結構才能充分發揮出最大優勢。在了解鋼結構的設計原則時，首先要能區別強度和穩定問題，強度關鍵取決于材料特征，對于脆性材料都要取最大強度，如混凝土；對于鋼材則取屈服點，而穩定問題在解決強度問題時，需找出其不穩定的平衡狀態，這種不穩定狀態存在內部抵抗力與外部荷載之間，也就是指變形在快速增長的開始點，通過這樣區分，可以指導強度問題最主要就是一個變形問題。

建筑工程鋼結構設計穩定性特點分析。首先從建筑工程鋼結構整體穩定性來分析，如要保持鋼結構的穩定性，需要從結構的整體出發來分析其穩定性。其次，從鋼結構的整體剛度和失穩方面來看，應采用現行較為規范的折減系數法和臨界壓力求解法來進行穩定計算，對于軸心壓桿的穩定計算通常用這兩種方法。再次，在彈性穩定計算的過程中，不只考慮結構整體性特點，還應考慮到二階分析，這主要是由于結構內力會受到柔性構建大變形量的一定影響。

四、建筑工程鋼結構的設計要點

1、鋼材的選擇。對于鋼結構設計來說，選材是一項極為重要且難度較大的工作。究其原因，一方面是我國鋼鐵工業迅速發展，鋼材的種類繁多，要從眾多的鋼材種類中選出適合某種建筑工程的鋼材是有難度的；另一方面是因為目前鋼結構建筑的種類也在不斷增加，不同建筑物對鋼結構的強度、變形度、疲勞應力等方面的要求也不一致，因此選擇合適的鋼材顯得至關重要，否則就不能發揮出鋼結構建筑的功用。

2、判斷鋼結構的適用性。現今建筑行業中，鋼結構多是用于跨度和荷載較大、體型復雜的高層建筑中。要求其能夠承受較高的溫度、方便拆卸、能夠承受大幅度的振動、密封嚴實，因此在鋼結構設計之前必須要對這些方面進行全面的分析，考慮所設計的鋼結構是否適用、能否滿足要求。

3、加強對鋼結構受力體系以及細部節點的設計。在鋼結構方案確定以后，必須要立即對鋼結構的受力體系以及細部節點進行具體的計算和完善。首先，針對鋼結構受力體系設計而言，現今很多鋼結構都是采用的桿系結構，這種結構要求鋼材強度大、截面尺寸??；在生產的時候可以在現場組裝、構件之間的約束作用小。因此其設計的重點是保證構件節點之間的連接穩固性。其次，對于鋼結構建筑的細部節點設計而言，鋼結構建筑的設計要求細致且設計內容復雜，都需要對細部節點進行嚴格的設計。

結束語

近幾年鋼結構的應用范圍也越來越廣泛，不僅僅局限于輕鋼結構和大跨結構，更多的應用于高層建筑中，鋼混結構的應用使得結構的抗震性和空間應用更好，容器和管道、高聳結構都在蓬勃發展。在總結國內經驗的同時，積極吸取國外同行業的先進經驗。

參考文獻

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