探析我國建筑鋼結構設計規劃及發展

何力

（四川蜀道城鄉投資集團有限責任公司，四川成都 610000）

0 引言

近年來，隨著對建筑市場的日益增長，對建筑品質的要求也越來越高。建筑鋼結構是一項新興的工程技術，它已經在國內逐步占有一席之地，但從目前的狀況來看，我國的建筑鋼結構設計狀況并不理想，與歐美發達國家的建筑鋼結構設計水平還有很大的差距，并且還存在著許多問題，必須予以關注和克服，使得鋼結構在國內的應用中能夠發揮出更大的優勢。

1 建筑鋼結構概述

1.1 建筑鋼結構

建筑鋼結構和其他的建筑相比，它有自己的優點，那就是鋼材的強度更高，韌性更好，自重更輕，施工速度快施工周期短。在我國的建筑設計中，鋼結構的比重逐年遞增，已成為我國建筑結構中使用最多的一種。因此，從穩定性、效益性等方面考慮鋼結構的設計重點。

1.2 建筑鋼結構節點分類

1.2.1 剛性連接節點

（1）拼合的橫梁。梁的拼接一般分為兩種：①螺栓聯結。②焊接接頭。從剛性上來說，前者要比后者更小，但前者可以制造出更好的焊接接頭，而且可以保證質量。后者剛性較強，通常用于工廠裝配。

（2）將梁柱連接起來。通常，梁和立柱之間采用的是端面板連接。即采用兩塊結構部件之間的端板進行連接，一般用于低層、高層框架結構，具有質量好、抗震性能好、無須現場焊接等特點。

（3）立柱與立柱之間的連接。通常，根據柱子截面的改變，可分為柱身變段拼接和等截面柱體的拼接兩類。一般情況下，采用第二種方法連接立柱和立柱。

1.2.2 半剛性連接節點

對于半剛性連接節點，節點承載能力與連接構件承載能力比較，節點承載能力較大；然而在實際設計中，由于這種連接方式與結構設計的關系，使得連接節點的彈性剛度比連接構件的彈性剛度要大，因此半剛性連接節點并未應用。

1.2.3 鉸接連接節點

主梁與副梁的聯接。大部分都是簡單的連接，但如果建筑要求比較高，就可以采用剛性連接，但這種方法比較復雜，因為次梁不需要用翼緣，因此，這種連接方式很受設計者的歡迎。

1.3 鋼結構設計原則

（1）除采用允許應力方法進行疲勞強度的計算外，其他設計采用極限狀態設計方法，以概率理論為依據。

（2）所有的承重結構應同時考慮兩種情況，即承載力極限和正常使用極限。

（3）在設計時，要根據建筑物的不同特征，對其安全級別的要求進行綜合考慮，并運用相關系數，反映在荷載作用下。

（4）在將承載力極限狀態相結合的情況下，進行結構構件的設計或連接時，往往要根據實際情況，綜合考慮荷載作用的影響。

（5）在正常使用極限條件下，根據不同的設計需求，采用不同的載荷組合。

（6）在進行疲勞強度校核時，應該采用允許應力方法。

（7）在選用鋼時，應綜合考慮受力條件、環境位置和施工工藝等因素。

（8）在選擇鋼種時，應注意一系列的指標，例如拉伸強度和含碳量等[1]。

2 我國建筑鋼結構技術發展存在的問題

2.1 鋼結構設計整體水平有待提升

按照住房和城鄉建設部頒布的《輕型房屋鋼結構工程設計專項資質管理暫法》的規定，從事輕型房屋鋼結構工程設計設計專項資質的單位，必須取得輕型房屋鋼結構工程設計專項資質證書后，方可承擔相應的業務。可見，國內對建筑鋼結構設計的要求越來越高，但由于國內工程設計院的數量和人員的短缺，而建筑鋼結構設計的需求日益增長，使得設計工作十分繁重，由于鋼結構設計費時費力，而且造價也比較低廉，因此有些設計院把鋼結構設計委托給其他設計單位或企業，而這些單位或企業由于資質或能力不強，在建筑鋼結構型設計上缺少專業知識，對鋼結構的關鍵技術不夠透徹，導致了設計盲目、混亂、不符合規范。一些設計單位正在將全鑄鋼、全焊接等項目交給生產廠家，但由于許多工廠缺少相應的計算設備，沒有掌握好設計要求，導致鋼結構材料的適用性低、質量差，同時也造成了大量的鋼材資源浪費，甚至出現質量事故。

2.2 結構設計自主創新能力不足

相對于世界先進的鋼結構設計技術，國內在鋼結構設計方面還存在著自主創新能力不足的問題，在設計上存在著仿冒式的問題，沒有根據我國的國情進行科學合理的設計，特別是在遇到高難度、復雜的建筑項目時，設計人員或設計人員的自主性和自主性的不足，造成設計上的保守和設計的深度不夠，在設計時，增加重要系數的取值，采用一級全熔透焊縫，420MPa、490MPa 的強度，以及一些單位和設計者過分追求經濟效益，忽略將建筑鋼結構相關系數和焊接工藝與工程實際結合起來，造成工程建設中大量采用構件，增加設計費用，避免工程材料浪費，增加施工成本，影響建筑鋼結構設計的持續健康發展[2]。

2.3 結構設計的標準不夠完善

我國目前對鋼結構設計的技術還處于研究和充實階段，有關的規范還不完善，施工行業對鋼結構設計技術的監督和管理還很欠缺。目前，我國鋼鐵工業已研制出Q235GJ、Q345GJ 等多種性能優良的厚板，其延性、沖擊韌性、低厚板效應、焊接性能等指標均符合鋼結構抗震設計的要求，而《建筑結構用鋼板》（GB/T 19879—2005）對鋼結構的相關標準也進行了修訂，但由于目前國內對鋼結構的設計還沒有進行相應的調整，致使建筑鋼結構設計在實際應用中的應用受到了很大的限制。

2.4 設計過于保守

過分保守或過分先進，不適當地隨意提升設計標準，或降低設計安全級別有些設計者對復雜的工程沒有經驗，心里沒有底，盲目地追求高標準，導致設計過于保守，隨意增加安全級別，對構件不區分輕重緩急，對重要系數隨意增加，桿件“應力比”的取值過低；不加區分的焊縫等級均采用一級全熔透焊接；鋼的等級不論其使用狀況和部位均采用C、D 級；鋼的強度等級不論是否需要任意使用420MPa、490MPa 的高強度鋼；在不認識“焊接殘余應力”的基礎上，誤把“殘余應力”排除在外。由于以上原因，常常導致結構構件尺寸過大，投資大幅增長，這些都是不合理的設計方案所致。

3 鋼結構整體性設計中問題的解決對策

3.1 在設計中強調管理

因為在建筑結構設計中，在進行鋼結構的設計時，所牽扯到的范圍比較廣，所以，在進行鋼結構的設計時，必須要有一個比較健全的監管體系來作為參照，并加以約束。另外，在不同的環境和使用情況下，也會有特定的設計需求，需要在進行設計時，針對這些需求制定出相應的方案。與此同時，在進行鋼結構設計的時候，在對承包單位進行資質審核的時候，也要對其進行嚴格的把關，只有這樣，設計人員才能做出更有深度、更有創意的設計方案，才能保證最后的房屋質量。從而從本質上確保了設計的方案更能滿足顧客的要求，從而保障了它的科學性和合理性；從總體上改善了鋼結構的設計品質，并在建設過程中提高了工作效率。

3.2 優化設計方案

對于鋼架來說，它雖然有很強的抗腐蝕能力，但是長期暴露在濕氣和水里，還是會受到腐蝕。所以，關于鋼結構的防腐性能，設計者在進行方案設計時，應重點強化其耐腐蝕性，然后在鋼結構表面涂上具有良好的耐水性和粘附性的涂料，從而進一步增強鋼結構的防水性能。另外在建筑工程的安全管理過程中，安全防火是一個很重要的方面，因此，在設計過程中，要將鋼結構的防火性能提高，在進行設計前，設計人員要深入建筑的施工現場，對其進行實地考察，并按照有關的法規和具體的情況，制定出一個合理的鋼結構防火方案，并與建筑的特征相結合，對鋼結構的位置、防火材料的性能、防護后鋼結構的承重進行評價，并對防護措施的經濟預算、施工的方便性、占用空間的大小等因素進行考量。在此基礎上，進行合理的抗震加固，避免火災發生后，因火災而導致的倒塌，從而加大滅火的難度。

3.3 優選設計法提高鋼結構穩定

（1）用允許應力方法進行鋼結構的設計。在建筑鋼結構的設計中，最常見的一種方法就是允許應力法，它的目的就是為了保證建筑鋼結構的整個受力系統的合理性，從而防止在每一個環節中產生不穩定等問題。在使用容許應力法來對建筑鋼結構工程進行設計的時候，應該將有關的計算與分析工作做得很好，對鋼結構的內部應力有一個較為詳盡的了解，尤其是要保證設計要符合鋼結構材料的承載要求，避免因為承載力不夠而導致變形、坍塌等現象發生。

（2）用極限狀態方法進行建筑鋼結構設計。在建筑鋼結構工程設計中，使用極限狀態法也是一種較為常用的方法，它的目的是對建筑鋼結構的極限承載狀態進行分析，從而對其載荷需求有一個清晰的認識，然后再采取一些合理的措施對其進行平衡，從而確保結構設計的可靠性和穩定性。過去，在進行鋼混結構的設計時，設計者往往僅注重于安全，從而導致了結構失穩。針對這一點，如果使用極限狀態法進行設計，那么不僅可以保證建筑鋼結構的可靠度，而且還可以對塑性變形、材料斷裂等問題起到更好的規避控制作用，從總體上提高了建筑鋼結構的安全性。

（3）用塑性法進行建筑鋼結構設計。塑性設計法也屬于建筑鋼結構工程設計中的一種常見的方法，它的主要內容就是對鋼結構材料的各個組成單元展開細致的分析，從而保證結構具有理想的塑性效果和強度，從而防止在長期使用的過程中，結構出現缺損、材料斷裂等問題。與此類似，在實際運用過程中，塑性設計法也要首先對建筑鋼結構內部力用力及內力分配效果展開詳細的分析，然后才可以找到合理的結構處理方法，以保證整體結構的穩定性。

3.4 提高設計隊伍的素質

在鋼結構設計過程中，設計人員扮演著重要的角色，他們的技術水準和職業素質直接影響到了設計的品質，因此，需要建立一支專業化的設計隊伍，并對設計人員開展定期的培訓，讓他們掌握自己的專業知識，并且要對他們進行嚴格的考核，將他們的成績與工作業績聯系起來，以此來推動設計人員持續提高自己的素質；此外，公司也鼓勵設計師們到外地去進修、考察，開闊眼界，將最新的鋼結構理論與實踐相結合，以提高其性能；另外，在有條件的情況下，還可以從外面引入一些優秀的設計人員，為我們的設計隊伍補充新的血液，從而提高我們的整體實力。

4 我國建筑鋼結構設計的發展展望

4.1 設計理念更新

雖然我們的建筑鋼結構技術發展的比較晚，但是我們的設計技術已經有了很大的進步，隨著環保的發展，我們的環保意識也在不斷的提升，我們將會在未來的發展中，不斷的提升鋼鐵的使用效率，在不斷提高建筑鋼結構的功能的基礎上，降低了資源的浪費，從而達到了建筑行業節能減排的目標。

4.2 自主創新能力發展

隨著鋼結構在施工中的應用越來越廣泛，建筑鋼結構人才的培養也越來越受到業界的重視，除了強化設計單位的培訓之外，許多大學都在開設建筑鋼結構專業的課程，另外，鋼結構對鋼結構的品種、性能、質量要求的提高，使得我國鋼鐵工業的研發、生產、制造鋼結構用厚板材料的能力逐漸提高，某些品種的性能甚至超過了日本、美國，這些優質鋼材為國內建筑鋼結構設計提供了可靠的保障。

4.3 相關標準逐步完善

建筑鋼結構對鋼的質量有很高的要求，但有關設計規范和規范并不統一，如鋼結構設計中的焊接、防火、防腐等方面的檢測和監理水平與國際上的水平相差甚遠，所以，有關部門應當盡快完善有關標準，加強監理、質檢、監理等部門的工作積極性，加強設計單位的資格，建立健全的法規體系，對設計單位進行規范，并將其與科學全面的鋼結構設計規范相結合，為設計單位、鋼鐵企業等提供實際有效的參考[3]。

4.4 增強總評規劃能力

只有在實際工作中，我們才能對計劃的知識有更深入的了解，并具有實際操作的能力。另外，盡量多地了解鋼結構設計的思想動態及趨勢，力求使設計師與投資商之間達到最好的協調，以便更好地與甲方進行交流。作為設計者，首先要根據國家有關法規、地方政府制定的容積率、建筑密度等進行宏觀調控；其次，一個有經驗的建筑師應該能夠決定建筑的基礎結構、建筑風格、消防通道、社區道路等[4-5]。

5 結語

我國的建筑鋼結構設計對現代建筑的發展起著舉足輕重的作用，鋼結構已被廣泛地應用于建筑工程，鋼結構技術發展迅速，然而，我國鋼結構設計的整體水平還不夠高、自主創新能力較弱、鋼結構技術安全需要提高、結構設計規范不完善等問題。我國的建筑設計單位和人員，在長期的發展中，應不斷更新設計觀念，增強自主創新的能力，同時，國家相關部門也需要完善相關標準與規范，以推動我國建筑設計、技術的不斷進步。