建筑設計中鋼結構的優劣勢與應用實踐

張燕飛

隨著經濟的快速發展，現代鋼結構建筑在我國的應用日益廣泛，鋼結構建筑得到快速發展并成為當代建筑造型藝術的時尚。由于在結構、質量、工期和環保等方面的優勢，鋼結構建筑被越來越多地應用到各類建筑中，其憑借獨特的材料特性，已成為當代建筑的重要表現手段。

1.建筑設計中鋼結構的優勢

1.1 具有較強的韌性、可塑性

在建筑領域中，鋼結構的可塑性、韌性較強。由于這兩點優勢，若建筑處于負載或超載的情況，鋼結構可以實現對作用力的充分分配，使得整個建筑的應力變化幅度得到控制，極大程度地避免了鋼結構斷開、裂開等問題。

1.2 性能好、效益高

在材料、質地上，鋼結構整體分布十分均勻，與力學方面的假定符合度較高。同時，在內部組織、結構上，鋼材料與各項同性契合度更高，其材料波動范圍相對較小，更是在所有建筑材料中具有最理想的彈性。再者，相較于其他建筑工程類型，鋼結構不容易受到環境、氣候等外界因素影響。在其生產加工上，由工廠內部完成加工作業后直接即可運送至建筑工地進行組裝，這就決定了其具有更短的工期，且不會給施工區域的環境帶來較大影響，符合文明施工、綠色施工需求。

1.3 造價成本低

在建筑設計領域，鋼結構應用能夠在保證整體安全性、可靠性的前提下，有效地控制成本投入，保證企業經濟收益。與鋼筋混凝土的應用相比，高層建筑中應用鋼結構的成本消耗相對較低，且在質量上輕于鋼筋混凝土，減少了運輸費用。鋼結構的便捷性會加快施工完成進度，能夠減少人工、工期等方面帶來的費用[1]。

2.鋼結構應用的不足

2.1 質量控制存在問題

鋼結構設計需要綜合考量多方面內容，這就使得整體的設計費用較高，更需要大量人力資源的投入。同時，基于鋼結構的建筑設計流程復雜性較大，完成度不高。部分參與設計的單位，由于缺乏經驗，導致鋼結構設計質量難以達到較高標準，影響了建筑行業市場。同時，我國建筑行業領域并未形成有關鋼結構設計的法律、監督機制，給設計質量埋下了隱患。

2.2 設計方案存在不足

由于具有較高的設計成本，其設計與承包通常區分開來，這就導致鋼結構設計缺乏一定深度，部分設計的實施難以達到原有設計要求，尤其是柱腳設計上容易出現失誤。常見的三種柱腳類型有外包式、外露式、埋入式，外露式常應用于民宅設計方面。柱腳的剛度主要受到底板的塑性、彈性因素影響，地板變形也會使得鋼結構出現形變，這就需要設計人員綜合考量，避免柱腳點被破壞，導致建筑結構整體出現問題。

2.3 鋼結構受火安全性、穩定性不足

在鋼結構住宅出現火災時，受到煙氣和火焰的熱作用，鋼結構會迅速升溫，在升溫過程中會產生溫度荷載。在鋼結構受到外力荷載、溫度荷載的共同作用時，容易出現結構變形、位移，嚴重時會出現坍塌，最終導致整體鋼結構安全性不足[2]。

3.鋼結構工業建筑設計方法

工業建筑是為工業生產服務的房屋，也可以稱為廠房。在小型鋼結構工業建筑中，設計師需要從工業屬性出發，根據功能要求，選用架構空間骨架、平面形狀，打造出既大方又美觀的建筑風格。

3.1 功能空間設計

出于工業服務原因，工業廠房往往具備多元化的工業屬性。所以，工業建筑設計，要將基本的工業功能放在首位。例如，部分工業建筑需要配備良好的光照設施，這時就可以在屋蓋結構增加采光口、采光帶，也可以將下沉天窗設置在有桁架的上下弦桿件之間，借助桁架端部的收束，創造進光口條件。對于組合式建筑，可以通過調整配置、靈活組合，設計高側窗。

3.2 空間結構體系設計

3.2.1 門式剛架體系

在門式剛架建筑體系中，建筑骨架由多種鋼結構構件組成。相較于其他輕型鋼結構建筑體系，這一結構更適用于工業化生產。在拆除建筑房屋后，可以實現資源的重復利用（利用率超過90%），能夠滿足中小跨度倉庫、工業廠房的建筑需求。

3.2.2 格構剛架體系

在格構剛架結構體系中，輕質桿件體系是建筑骨架的主要構成部分，整體十分輕盈且通透，復合夾芯金屬板、幕墻均可以用作圍護，格構式剛架是其主剛架，剛架采用梁柱剛接，是一種二維體系。存在差異的地方是基本梁柱部分，具有單元格構化特征，常常采用三角形格構剛架。在縱向上，交接的簡支梁可以連接剛架，為提高整體剛度，可以增加支撐。不同于門式剛架體系，這一結構體系使用格構型剛架，結構的荷載能力得到增強，所以支撐體系可以取消。

3.2.3 屋架體系

屋架體系起承擔屋蓋荷載的作用，其骨架是屋蓋系統，其承擔的荷載來自垂直和水平方向，前者包括覆蓋面荷載，后者包括地震、風荷載，所以剛度是設計中考慮的要點。在屋架系統的構成上，需要連續組合多個細小的桿件，這些桿件的軸力負責承擔屋蓋的荷載，增加橫向的建筑跨度，十分契合工業建筑的要求。屋架系統的構成，要使用結構化的桿件體系，再連接下部的受壓柱子進行荷載傳遞。通過縱向的排列布置，由線及面，展示屋蓋下擁有大量使用空間。

3.3 空間分隔設計

在工業廠房建筑中，內部空間的設計，要保證大且通暢。一般情況下，采用柱子進行內部空間分隔。對于中間的大跨部分，適合作為作業空間，也是廠房的主要使用空間，兩側設計的附屬空間，可以承擔次要建筑功能、交通功能。

3.3.1 墻體虛實對比

格構式剛架的使用同時注重美學表達和結構邏輯。所以，既能用作內部的建筑圍護，也可以外露展現構造節點。

3.3.2 高窗的光線引入

側高窗的設計能夠使工業廠房擁有良好的通風條件，使內部建筑空間更具藝術效果。建筑師可以靈活選取處理方式，對建筑細部進行設計，以增加建筑的透明性，在人造光線、結構的組合下，建筑物內外將更具美感。高窗引入光線的模式有四種：

（1）光線通道，比如通過屋頂三角形桁架，光線可以進入室內；

（2）通過減少結構的陰影，保證光線最大化；

（3）通過模糊、反射改變光線條件；

（4）通過改變光線增強結構感知。

3.4 表現結構設計

在經過格構化處理后，門式剛架體系可以形成格構剛架，其主要結構形式是桿件體系，既能節約材料、減輕重量，其強度、剛度也極強，還具有一定美學欣賞價值。在格構式剛架中，拉桿、壓桿是承受軸力的基本單元，它們的截面尺寸要小于長度。與實腹式梁柱體系相比，桿件結構體系的限定空間不足，所以一般用于內外的空間結構構架，要實現建筑內外空間的連續則需要搭配玻璃幕墻。在表露結構構件上，常使用格構式體系，其匯集了結構美學與構造美學的優點，能反映空間建構。螺栓連接、焊接是細長桿件間的主要連接方式。例如，在阿姆斯特丹的某工業建筑設計中，建筑師Berthem Crouwel 將橫向支撐與格構化的剛架系統進行結合，形成了建筑的界面，通過在過渡部位增加支撐，使用外附圍護進行掩蓋，將結構建筑的藝術性展現得淋漓盡致[3]。

3.5 細部節點表達

在鋼構架的組成上，外露節點構造設計占據著重要部分，其主要起到裝飾和表現的效果。所以，在鋼結構設計中，設計師要認真地思考裝飾設計問題。在鋼結構的發展進程中，節點的表現力往往需要精心地設計和處理，這樣才能使建筑設計具有較強的藝術表現力。一般情況下，通過材料、構造、技術等手段，可以實現裝飾效果。比如，在阿姆斯特丹的某工業建筑中，在各個框架上，設計了預制三角形格梁、三個焊接，螺栓被運用在邊角上，在連接材料上，主要運用帶有焊接、承壓板的三角形連接板。對于各個獨立的大梁框架，使用位于屋檐高度上的鋼管進行連接，相互連接的鋼管具有相同的節點。從整體上看，邏輯建構體現在各個框架的格構化桿件上，再加上縱向鋼管的節點聯系，使得各個節點的細部表現得更加精美。在鋼構設計中，細部節點設計和處理是關鍵，節點的精致程度，體現了技術發展程度，更豐富了鋼結構的空間表現形式。

小型鋼結構工業建筑的設計，要利用好構件本身的細部節點，以精致的設計呈現技術美感，主要的構造節點有螺栓、鋼索、銷子、拉桿等，形成一個緊密貼合的整體，能夠使空間給人強烈的感官刺激。

4.結束語

綜上所述，鋼結構的應用得到了越來越多企業的青睞，這就需要加強鋼結構設計的研究，確保各方面設計的安全性、合理性和可靠性。本文在分析鋼結構優劣的基礎上，提出了相關的應用和加強應用舉措，旨在引起相關技術人員和從業者的關注。相關人員應不斷加強對鋼結構設計的研究，在具體設計中進行創新和完善，為建筑行業持續健康發展貢獻力量。