钢结构房屋设计中常见要点分析

桂儒虎

（福建江夏学院 福建省福州市 350108）

目前，我国钢铁生产持续增长，经济增速不断加快，人们对绿色环保建筑的要求越来越高，因此，钢材料越来越广泛地应用于住宅建筑的主体结构中。众所周知，钢结构住体系在民用建筑中的使用相较于其他结构体系具有独特的优势。钢结构房屋通用系统具有重量轻、布局灵活、工业化、标准化、批量生产、施工周期短等特点。加大对钢结构房屋设计要点分析，提升钢结构房屋使用水平，具有良好的社会效益和经济效益，做好钢结构房屋设计的要点分析，对于钢结构房屋行业整体发展具有良好的促进作用。

1 钢结构的概述

1.1 钢结构房屋应用特征

与钢混结构相比，钢结构具有重量轻，荷载小的特点，在实际的房屋建造中大大降低了地基处理的成本和工作量。还有预制钢结构，缩短工期，减轻施工现场工作量等优势，除此之外，钢结构还具有良好的抗震效果，强度较高适合更加灵活的空间布局。在我国工农业生产场景不断复杂化的时代背景下，钢结构房屋应用范围不断拓展，对社会生产生活所造成的影响不断增加。

在钢结构建筑设计中，结构是建筑形象的重要组成部分。只有将建筑结构的设计与功能统一起来，才能满足建筑的功能需求，为未来的建筑设计打下良好的基础。只有将建筑的功能和设计与结构融为一体，才能设计出艺术与技术统一的钢结构建筑。因此，对于人均能源资源水平较低的国家来说，在我国使用钢结构建筑具有重要的现实意义。钢不仅具有高效率和高强度，而且具有良好的循环利用价值，为实现绿色环保建筑提供了良好的原材料。提升钢结构房屋设计的整体水平，对钢结构行业整体发展具有重要的保障和促进作用。

1.2 钢结构稳定性失衡类型

根据钢结构失衡状态的不同状态，可以将失衡类型分为不同的情形：①在轴心和中面内受压的构件产生的失衡，还包括受弯结构和圆柱壳等部位的失衡。②在非理想轴心和压弯构件在受力程度超出限定范围时出现的失衡状态。③不同于以上两种类型的失衡状态，在发生这种失衡状态时，平衡点会发生无规则跳跃的状态[1]。在钢结构设计工作进行中，首先要对组成结构进行区分，从而确定合理的结构承载力。大多数的情形下，这些失衡状态的产生和作用是叠加在一起的，只有进行深入分析并确定各方面的性能特点，才能够真正完成设计流程。分析钢结构稳定性失衡的类型，对于明确钢结构房屋设计的要点具有指导作用，是明确设计要点的基本前提。

2 钢结构房屋的优势及发展前景

2.1 钢结构房屋的优势

（1）随着我国钢材产量的不断增加，为钢结构房屋的建设提供了优质原材料，通过钢结构房屋的建设，可以实现房屋构建的工业化、标准化、规模化生产，有效降低建筑施工成本；通过钢结构房屋的工业化生产，可以有效减少施工现场的湿操作，满足环保施工的要求。

（2）与混凝土结构相比，钢结构建筑体系重量仅为混凝土结构的一半，通过钢结构房屋的设计，能够大大降低基础造价，减少施工成本。同时，钢结构房屋施工过程中对环境造成的影响较小，具有绿色节能特征，符合国家在绿色节能建筑方面的推广要求。

（3）钢结构房屋体系具有施工工期短的特点，与其他传统结构体系相比整体的施工时间缩短近1/3，施工时间的缩短，可以为建筑企业减少投资周期，加快资金周转速度，提高投资效率。

（4）大部分钢结构建筑是由可循环利用和易于降解的绿色材料建造的。建筑达到使用寿命后拆除的大部分材料都可以回收利用，减少了建筑垃圾的产生，满足绿色环保建筑的要求。从这些方面出发，可以看出，钢结构房屋相对于其他建筑形式而言，具有多方面的应用优势，具有广阔的市场发展前景。

2.2 钢结构房屋的发展前景

钢结构体系具有延性好、塑性变形能力强、抗震能力强等优点。在民用建筑中的应用，可以大大提高住宅建筑的安全性和可靠性。近年来，许多自然灾害，如地震的发生已经证明了钢结构建筑的安全性能[2]。不仅如此，钢结构建筑可以减小柱截面的尺寸，并采用轻隔墙来增加建筑的使用面积，从而可以更好的满足建筑大空间和灵活分隔的要求。在未来发展过程中，随着建筑行业应用场景的不断扩展，钢结构房屋的发展具有广阔的市场空间，同时对设计工作也提出了更高的要求。在设计工作开展中，不仅要能够注重传统设计中需要控制的质量和经济因素，还要能够从设计流程开始，提升钢结构房屋在不同应用场景下的实际应用水平。

3 钢材建筑结构设计中常见缺陷

3.1 地基设计缺陷

通过对钢结构工程的实例分析，大多数钢结构工程往往存在不合理的地基设计缺陷。大多数钢结构建筑基础是根据周围建筑物的基础设计的。因此在地基设计过程中，极易出现地基不合格现象，给房屋带来安全隐患。因此，应在钢结构建筑基础设计过程中仔细调查和分析周围的地质条件，计算出相应的基础设计数据或设计出相应的解决方案来满足施工条件。此外，一些钢结构建筑师为了保证设计效果，一味的模仿国外建筑模型，造成成本浪费和质量问题[3]。过度模仿往往会导致材料与结构不匹配，增加材料采购成本。因此，对国外建筑设计的模仿应结合我国的实际情况进行合理的借鉴。

3.2 整体框架结构设计缺陷

总的来说，钢框架的缺陷主要分为承重柱截面高度设计不合理和纵向框架设计不合理两种情况。一般来说，承重柱高度设计不合理的原因是因为设计师在设计过程中，为方便轴承柱应力的分析，将承重柱的截面高度低于正常的标准，这将导致房子受力误差带来的安全隐患。纵向框架设计不合理也是常见的缺陷之一。在钢结构中，纵向框架与水平框架起着同样的作用，但大多数设计师往往低估了纵向框架的重要性，从而导致了建筑的结构误差，影响了建筑的质量。整体框架结构设计缺陷在设计流程中是较为常见的问题之一，其产生因素除设计师个人技能水平之外，还受到设计软件内部构架的影响，在目前的设计工作中，通常是借助于BIM软件所具有的碰撞检查功能来解决这方面的问题。在各个设计流程完成之后，可以基于软件内置的碰撞功能，分析某些环节所出现的设计不合理现象，进而及时加以更正，从而为后续施工提供科学的指导。

3.3 材料结构缺陷

钢结构设计需要考虑钢结构及钢结构是否稳定、承载力、变形接受能力等多方面的因素，但在当前国内钢结构设计情况来看，一些设计师往往忽略了整体结构的稳定性，导致建筑的使用年限缩短，甚至在使用过程中存在安全隐患。钢结构房屋结构和材料的稳定性是钢结构房屋设计中必须考虑的问题[4]。在对施工数据进行核算时，主要通过分析测试相关因素来确定建筑的基本结构，但由于数据存在偏差及大多数钢结构设计师缺乏经验等原因，往往会使钢结构及钢结构的稳定性受到忽略。为避免由于材料结构缺陷而造成的设计不合理现象，需要设计人员加大对材料性能的了解程度，并且要能够密切关注新型材料和发展和应用。

3.4 技术应用缺陷

钢结构设计对设计技术应用水平具有较高的要求，不同的设计理念和设计软件选择对实际设计效果具有直接性的影响，进而会对施工质量和成本控制等造成直接性的影响。在现代施工技术发展不断深化的背景下，装配式钢结构应用水平不断提升，BIM技术在设计流程中所起到的作用也更加明显。在设计过程中，如果一昧坚守传统的设计模式，将会造成设计水平与施工技术等方面存在不符，存在严重的资源浪费或者施工效率低下等方面的问题。这不仅会对建设单位造成严重的影响，还会对社会经济发展产生严重的阻碍，无法推动钢结构建筑行业的整体发展。

4 钢材结构房屋建筑常见要点分析

4.1 加强设计基础水平

一般来说，钢结构房屋设计中出现的问题，往往是由于设计人员对钢结构施工缺乏认识及对材料的认识不足造成的。因此，在进行钢结构建筑设计时，应充分了解施工的各个阶段，调查现场情况，提高设计的基本水平，在综合分析相关数据的基础上进行合理科学的建筑设计。例如，在计算土地承载力之前，需要对当地土质进行详细的调查。在检验过程严格按照工业设计规范进行，采用分析方法，使设计检验值与实际值误差达到最小，提高建筑物的安全性能。这就要求设计人员在日常工作开展过程中，不仅要能够做好相应的设计工作，还应当不断加大自身理论学习力度，及时掌握新型设计技术，为提升整体设计水平奠定坚实的基础。

4.2 加强建筑上层部分设计

在大多数钢结构建筑中，通常采用框架抗震墙结构，因为抗震墙的布置或单一刚度控制范围往往存在问题，导致梁、板或其他构件的设计偏差。如果集中应力受到冲击，可能会造成房屋的破坏。因此，在保证钢结构安全的前提下，当抗震墙刚度为I级时，应确保墙支数不小于4，以保证应力分散[5]。同时，抗震墙梁、柱的设计应根据做大方小的建筑原则进行。在进行这部分结构设计时，需要对钢结构上层部分的使用环境有所了解，尽量避免由于设计和材料选择不当等方面因素造成施工环节出现问题。

4.3 加强结构防护性设计

钢作为整个建筑的主要材料，其防护功能十分重要。一般来说，合格的钢材料必须具备良好的耐腐蚀性和耐热性。大多数设计师都过于注重钢结构的硬度和抗压性，忽视了对耐腐蚀和耐热性的重视，而钢的耐腐蚀和耐热性缺少明确的指标。因此，有关主要部门应重视钢的耐蚀性和耐热性指标标准，出台明确的相关指标，明确钢材的材质规格，还应提高建筑设计过程中对材质防护性的重视。对于一些对钢结构材料具有明确要求的设计场景，必须从现场施工和项目类型需求出发，选择在各项指标均能达到使用要求的钢结构材料。在相关标准不够明确的情形下，要能够依托相关国外设计经验或者对应的产品质量标准进行综合性选择，从而为提升结构防护性奠定坚实基础。

4.4 加强钢结构抗震能力

钢结构建筑作为一项地面工程，必须具备一定的抗震能力和良好的抗震性能，才能保证施工人员的安全和逃生时间。在设计工作中，为确保钢结构房屋能够在特殊场景下具有良好的应用性能，必须加大对钢结构房屋抗震性能的重视程度。钢结构房屋的抗震能力需要根据当地的地壳波来确定。由于钢结构建筑本身材质就较为坚固，具有一定的抗震能力，但由于其不同于普通混凝土住宅，钢结构建筑对抗震等级没有相关的标准，所以在这种情况下，有必要在建筑设计过程中对引发地震灾害的因素做一个全面分析，演算出合适的抗震数据，并基于此做出合理的结构设计，提高房屋建筑的抗震能力[6]。同时在部分对抗震性能具有直接性影响的设计环节，应当加大重视力度，确保整体抗震能力达到使用要求。

4.5 承重墙结构设计

因为钢结构建筑的平面结构通常是矩形的，为了确保建筑物的地震强度，在设计建筑的结构时，其纵向刚度应大于横向刚度、横墙的数量必须符合要求，并使横墙用于承重和阻隔墙体。另外，当钢结构使用一定时间后，如果悬臂梁发生变形，则应将构造柱置于悬臂梁的一端，保证各层之间能够通过构造柱连接，解决建筑承重问题。承重墙结构设计是在钢结构房屋设计中容易被忽略的环节，这就要求设计人员在开展工作是必须强化对承重墙设计的重视程度，采用创新思维开展设计工作，尽量能够减少悬臂梁发生变形的概率，提升承重墙在长期使用过程中的性能。

4.6 钢材的材质的选用

设计钢结构时，应在相应的文件中注明材料和焊接材料的质量等级。确保钢结构建筑的钢材应具有屈服强度、抗拉强度、冷弯强度、延伸率等。对于地震频发的区域，应特别注意钢材的抗弯强度比与延伸率的数值是否符合建筑标准，钢材应具有明显的屈服步长，除具有良好的冲击韧性和焊接性外，结构还应具有足够的抗弯强度。文件中应注明塑性变形能力和必要的安全储备，在达到安全标准的基础上尽量减少C级或Z级以上的钢材的使用，避免造成经济浪费[7]。

4.7 钢结构的稳定设计

近年来，我国在钢结构稳定性设计方面取得了较大的进步，但在弯矩和轴力的耦合效应、预张拉体系等方面仍有许多问题需要改进。具体为以下几点：首先在钢结构网壳模型中，梁柱单元已成为主流的研究工具。然而，因为不可能确定单元是否能真正反映网壳的应力状态，许多建筑设计专家仍然对梁、柱单元研究存在疑惑，目前最大的问题是不知道如何反映弯矩与轴力的耦合效应。目前，建筑领域缺乏完善的理论来分析预应力体系。如何分析局部稳定与整体稳定之间的关系也是大跨度结构设计中的一大难题。大跨度结构在施工中虽然去掉了相对保守的稳定系数，但并不能真正反映局部稳定与整体稳定的关系。目前，学术界对随机冲击分析的基本限制是在随机载荷范围内，结构参数较小。事实上，由于结构参数的随机性，结构响应会发生很大的变化。因此，应重点研究随机参数对屈曲失稳、结构类型和跳跃失稳的干扰。

4.8 压型钢板拉条的设置

压型钢板拉条设置设计对于钢结构房屋的整体稳定性具有重要影响，在檩条的使用和构建过程中，在檩条之间设置支撑，起到横向支点的作用，减少檩条的横向变形和扭转，从而保证线檩条的横向稳定性。钢带一般设置在不小于4m的坡口带间距内，在不小于6m的檩条间三个点上设置支撑。对于带扣式或咬合式钢结构的屋面，拉条带应位于檩条上下1腹板高度以内。一些最大跨度为4米的项目无需设置拉条，同样，冷弯薄壁钢梁在使用时，也应按跨距提供必要的支撑杆和拉条。

5 结论

综上所述，随着人们生活水平的提高，人们对建筑住房等方面的要求也不断提高。本文主要分析了钢结构房屋的优点及其发展前景，分析了我国钢结构房屋建筑的缺陷，并对设计要点进行了分析。主要可以通过增强钢结构的防护性，提高钢结构的抗震能力等方式提高设计水平，另外，还可以通过借鉴外国优秀的建筑设计的经验和教训，结合我国建筑需求，对我国钢结构房屋建设现状进行改善，减少建筑成本的投入，提高建筑施工质量，促进我国建筑行业的健康发展。