民用多、高層鋼結構設計中的常見問題分析

黃禹銘

華藍設計（集團）有限公司 廣西 南寧 530000

鋼結構是目前應用廣泛的一種結構形式之一，在多、高層民用建筑中更是得到了廣泛應用。這種結構形式具有許多優點，例如自重輕、有良好的耐久性、穩定性和抗震性能等，這些優勢使其在各種功能的建筑中占據了越來越重要的地位。為了讓鋼結構充分發揮其結構體系的優勢，滿足結構可靠性的基本原則，使其符合安全性的要求，基于此，開展民用多、高層鋼結構設計中的常見問題的分析研究就顯得尤為必要。

1 鋼結構民用中高層建筑的優勢

與傳統鋼筋混凝土民用建筑相比，鋼結構民用中高層建筑具有非常明顯的優勢。

抗震性能好是最顯著的優勢之一。由于鋼結構具有較好的彈性性能和塑性變形能力，能夠在地震等自然災害中保持較好的穩定性和安全性，有效減少地震對建筑和人員的損害。

鋼結構建筑的施工周期也相對較短。由于鋼結構建筑采用工廠化生產、現場組裝的方式，可以大大縮短施工周期，提高施工效率，從而降低施工成本，為企業帶來更多的經濟效益。

鋼結構建筑的空間利用率也較高。由于鋼結構可以實現大跨度、大開間的設計，使得建筑內部空間得到充分利用，減少空間浪費，提高空間的利用率和實用性。同時，鋼結構建筑也更容易實現個性化設計，滿足不同用戶的需求。

維護成本低也是鋼結構建筑的優點之一。由于鋼結構建筑材料堅固耐用，使用壽命長，因此維護成本相對較低。相對于傳統鋼筋混凝土建筑，鋼結構建筑的維護成本更低，節省了用戶的維護費用。

鋼結構建筑還具有環保節能的優點。建筑材料可以回收再利用，減少資源浪費，同時也能夠減少建筑的能耗，達到環保節能的效果。這種環保節能的建筑方式符合當前社會對于可持續發展的要求，為人們提供更加健康、舒適、安全的居住環境。

鋼結構建筑還具有美觀大方的外觀特點。這種建筑外觀簡潔大方，線條流暢，具有現代感和科技感，能夠滿足人們對于建筑美學的需求。這種美觀大方的建筑風格也為城市增添了更多的特色和魅力。

2 民用多、高層建筑鋼結構設計中需要遵循的原則

雖然和傳統鋼筋混凝土民用建筑結構相比，鋼結構民用建筑在很多方面都有非常顯著的優勢，但在實際設計中依然需要嚴格遵循多項原則，才能設計出高質量、高品質，符合現代居民生活所需的民用建筑。在民用多高層建筑鋼結構設計中應當嚴格遵循以下原則：

安全性原則：鋼結構建筑必須嚴格遵循安全性原則，確保建筑在面臨各種自然災害和人為因素影響時，如強烈地震、狂風大雪、意外爆炸等，能夠穩固可靠，不會出現危及人身安全和財產損失的情況。為此，鋼結構建筑的設計和施工必須經過精密的計算和嚴密的論證，確保結構的安全性和穩定性。

經濟性原則：鋼結構建筑在設計過程中應充分考慮經濟性原則，以實現建筑成本的最小化和建筑效益的最大化。為實現這一目標，設計人員需要對材料的選擇、結構的優化、施工方法的確定等進行全面的考慮和分析，在保證建筑質量和安全的前提下，盡可能降低施工難度和成本，提高建筑的性價比。

美觀性原則：鋼結構建筑的設計應注重外觀美觀，體現出現代感和科技感。建筑師需要充分發揮創造性思維，將鋼結構建筑的特點和優勢巧妙地融入到設計中，使其在視覺上呈現出獨特的魅力和時代氣息。同時，還要注重建筑與周圍環境的協調性，使建筑與自然環境相得益彰，營造出和諧美好的視覺效果。

耐久性原則：鋼結構建筑的設計必須考慮其耐久性，確保建筑在長期使用過程中保持良好的狀態。為實現這一目標，設計時需對材料進行精心選擇，并選擇合理的結構形式和防腐、防火等措施，以延長建筑的使用壽命。此外，針對可能出現的問題和缺陷，設計人員還需制定相應的應對措施和技術保證體系，確保建筑的長期穩定性和可靠性[1]。

施工可行性原則：鋼結構建筑的設計必須充分考慮施工的可行性。在確定結構形式和施工方案時，設計人員應深入了解現場施工條件和工藝流程，盡可能選擇易于實施、便于操作的施工工藝和方法。同時，設計人員還需對施工過程中的質量管理和安全監控等方面提出明確要求，以保障建筑施工的順利進行和質量安全。通過合理的設計和優化，提高施工效率，降低施工成本，實現設計與施工的良性互動。

3 民用多、高層建筑鋼結構設計中的常見問題

3.1 結構布置設計問題

對于高層建筑鋼結構設計來說，鋼結構布置非常重要。只有合理的鋼結構布置才能夠保證高層建筑在進行設計時能夠充分發揮其自身的優勢。因此，必須要對高層建筑鋼結構的布置進行科學合理的規劃，確保高層建筑能夠按照其自身特點進行設計。通常來說，高層建筑鋼結構在進行設計時會受到很多因素的影響，這些因素都可能對鋼結構的布置造成影響[2]。比如，當高層建筑使用的材料比較多時，在對其進行設計時就需要考慮到這些因素，只有這樣才能保證鋼結構布置在符合國家規范的前提下滿足使用要求。

由于高層建筑在進行設計時需要考慮到很多因素，所以在對其進行設計時需要保證其合理性。比如：高層建筑高度、樓層數量、柱距以及風荷載等因素都會對其產生影響，只有保證這些因素能夠達到國家規定的要求時才能保證高層建筑鋼結構設計質量。要想保證鋼結構設計質量得到有效提升，還需要保證高層建筑鋼結構在使用過程中不會受到外界因素影響[3]。比如：如果高層建筑中出現了一些異常問題就需要及時采取措施進行處理，否則將會對整個工程造成嚴重影響。

3.2 結構高度設計問題

高度設計是民用中高層鋼結構建筑設計的重中之重，若在實際設計中高度問題沒有得到有效解決和處理，會危機到民用建筑的穩定性和安全性。在現行的民用建筑設計規范和標準中有明確規定，民用鋼結構建筑的類型不同，抗震設防烈度不同，則最大的適用高度也不相同，具體如表1所示：

表1 中高層民用鋼結構建筑結構類型、抗震設防烈度、最大適用高度表

按照表1中的規定，在進行民用多高層建筑鋼結構高度設計中，需要同時考慮民用建筑的抗震設防烈度、結構類型、經濟發展狀況、施工技術水平、建筑科研水平等多個方面。而且這些數據普遍具有很強的權威性，在設計中必須嚴格遵循，同時這也和現如今如果土木工程規范體系并沒有任何沖突。但在實際設計中，一些房地產開發商，為獲得更大的經濟效益，在高度設計時經常會打破現行規范和標準規定的最高限制高度。比如：上海標志性建筑金茂大廈，由多個結構體系共同組成，其高度達到了驚人的420m。此外，中信廣場雖然是鋼筋混凝土結構，但其高度也達到了322m。為最大限度上保證民用建筑總體結構的安全性、穩定性，需要設計人員在實際設計中能夠對超高限建筑秉著科學、嚴謹、認真、負責的態度，避免在地震、暴雨、暴雪等自然災害，以及偶然荷載突增的情況下，致使超高限建筑工程出現較大的形變，影響民用建筑整體結構的穩定性，甚至引起安全事故，造成難以挽回的損失[4]。這就要求在進行民用多高層建筑鋼結構設計中必須嚴格按照現行的規范和標準控制設計高度，若必須超過規范允許的高度，需要進行多方位的分析論證，并采用高質量、高性能材料，各構件之間的連接方式，以及連接效果需要嚴格選擇和檢查，以提升整體結構的穩定性和安全性。

3.3 連接構造設計問題

鋼結構連接構造設計主要包括焊接連接和螺栓連接，由于螺栓連接的成本低、效率高，因此在高層建筑鋼結構設計中應用廣泛。但由于目前我國對螺栓連接的構造設計研究不夠深入，因此在高層建筑鋼結構設計中依然存在許多問題，導致鋼結構的穩定性和耐久性受到影響。

3.3.1 螺栓連接的構造設計

由于高層建筑鋼結構的施工難度較大，因此對螺栓連接的構造要求也比較高。尤其是在高層建筑中，螺栓連接主要用于梁和柱的焊接連接，如果安裝過程中出現問題，將會對整個工程造成影響。因此，在進行高層建筑鋼結構設計時必須要重視對螺栓連接構造設計的研究，螺栓連接通常采用T型、L型、Z型等形狀的螺栓進行安裝和焊接，如果這些形狀的螺栓無法保證其穩定性和可靠性，則會對整個工程造成影響。因此必須要對其進行改進和優化。若采用了螺栓連接方式，在每個高強度螺栓的設計預拉力應滿足表2中的規定：

表2 每個高強度螺栓的設計預拉力表（kN）

3.3.2 焊接連接的構造設計

目前我國高層建筑鋼結構設計中應用最廣泛的是焊接連接方法，但由于焊接技術還不夠成熟、規范也不夠完善等原因，使得鋼結構在施工中經常出現一些問題。例如，在高層建筑中使用焊接方法時可能會出現一些安全隱患。此外，由于高層建筑鋼結構施工難度較大，因此在施工過程中可能會出現一些問題，這就需要鋼結構設計人員對其進行深入研究和分析。需要結合鋼結構的特點，選擇合適的焊接方式，常用的焊接方式有焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊以及先進的機器人自動化焊接。每種焊接方式都有其獨特的應用范圍和需要結合實際情況進行合理選擇。選擇好焊接方式后，就可以進行鋼結構接頭形式的選擇，常見的鋼結構結構形式包括對接、搭接、頂接三種，其中對接和搭接是最為常用的接頭形式，施工技術也比較先進。頂接的難度比較大，因為在進行頂接施工中，焊縫接縫后的收縮，會引起節點鋼板發生層間拉應力，若焊接的母材比較厚，需高度重視產生層間撕裂，若板厚超過40mm，除了需要加強對鋼結構的保護之外，還需按照國家現行標準，選擇合適的焊接材料，板厚方向的斷面收縮率不應超過焊接材料標準Z15級規定的允許值，在鋼結構民用建筑中容易發生層間撕裂的節點進行改造，并盡量選擇屈服強度比較小的焊條。

3.4 防火設計問題

高層建筑鋼結構的防火設計是保證其正常使用的前提，同時也是保證建筑安全的重要措施之一。而目前我國在高層建筑鋼結構防火設計方面還存在一些問題，主要表現在以下幾個方面：首先，防火分區設計不合理。高層建筑鋼結構的防火分區設計主要包括以下幾個方面：一是在防火分區內部需要設置防火墻，但是現在我國在這方面還存在一些問題[5]。比如，有些防火分區內部沒有設置防火墻，甚至有些防火分區內部還有防火門等。二是對高層建筑鋼結構進行耐火極限劃分不合理，導致高層建筑鋼結構無法正常使用。其次，設計不符合要求。比如，對鋼結構進行耐火極限劃分不合理，導致高層建筑在發生火災時無法及時對其進行保護；另外，設計不符合規范要求也會導致高層建筑鋼結構的防火設計不合理。比如，在對鋼結構進行耐火極限劃分時沒有考慮到鋼結構的特殊性，從而導致其耐火極限劃分不合理。最后，防火分隔措施不合理。如：沒有將防火涂料與金屬構件相分隔；防火分區設置在鋼結構構件內部；使用防火墻作為主要的分隔措施；未將防火材料設置在主要承重構件內部；未將鋼結構與其他結構進行分隔等。這些都會對高層建筑的使用和安全造成一定影響。因此必須要對這方面進行加強重視。

3.5 鋼結構抗震設計問題

抗震設計是高層建筑鋼結構設計的重要內容，而鋼結構抗震設計的主要目的就是為了保證高層建筑在地震中不會出現倒塌的情況。因此，在進行高層建筑鋼結構抗震設計時，首先要保證高層建筑鋼結構抗震設計的合理性，只有這樣才能真正達到高層建筑鋼結構抗震設計的目的。在進行高層建筑鋼結構抗震設計時，首先要選擇合理的地震波，這是非常重要的。只有選擇合適的地震波，才能確保高層建筑在地震中不會出現倒塌的情況[6]。其次，在進行高層建筑鋼結構抗震設計時，還要根據實際情況對不同地區進行科學合理的選擇，從而確保高層建筑在地震中不會出現倒塌的情況。另外，還需要對高層建筑鋼結構設計中所采用的材料進行科學合理地選擇。例如，在進行鋼結構抗震設計時，需要選擇強度較高、質量較輕、容易加工和焊接的材料。

4 結束語

綜上所述，結合理論實踐，分析了民用多高層建筑鋼結構設計中的常見問題，分析結果表明，在我國，隨著經濟的發展，高層建筑得到了飛速發展，在這一過程中，高層建筑的鋼結構設計也受到了廣泛關注。在對其進行分析時，不僅要對鋼結構設計中的不足進行分析，還要對其存在的問題進行研究。只有這樣才能促進我國高層建筑鋼結構設計水平提升。同時，這也能為我國建筑行業的發展提供一定的幫助作用。