基于钢结构建筑在结构设计中存在的问题分析

甄继超

【摘要】现如今，我国的繁荣发展，促使人们的生活水平正在不断提升，建筑工程同样也在大力建设，能够为人民群众的日常生活、学习与工作带来极大的便利。而在开展建筑工程施工作业期间，钢结构建筑由于其具备高稳定性、经济性、使用寿命长等诸多优势，因此正在广泛、普遍应用并大力建设。而在设计钢结构的过程当中，设计人员必须要不断提高自身的工作水平与专业素养，通过钢结构设计工作的高效开展，从而确保整体建筑工程质量能够提高，促使建筑工程更具稳定性、安全性，可以为钢结构建筑带来更为宏观地社会效益与经济效益。钢结构建筑与混凝土建筑或者是其他建筑相比，在结构设计方面，存在较大的难度，尤其是新阶段出现的新设计理念与不断开发的高强型材料，为钢结构设计带来一系列的挑战。所以，设计人员应对钢结构设计特征要点充分掌握，针对结构设计问题加以科学分析，并采取相应的解决措施。基于此，本文首先针对当前钢结构建筑设计存在的问题展开分析，并视为切入点，同实际情况结合，提出针对性、专业性的设计策略，从而为相关从业人员今后工作的顺利开展带来一定的参考作用。

【关键词】建筑工程;钢结构;结构设计

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.027

绪论

建筑工程的大力建设，能够为国民日常生活、工作与学习带来极大的便利。而目前钢结构已经属于建筑工程中应用最为普遍的结构形式。而想要促使钢结构建筑整体质量能够提升，保障钢结构建筑的安全性、稳定性与长久性，就必须要对结构设计工作的有效开展投入高度的重视，通过分析设计中存在的主要问題，并且通过一系列改进对策的应用，从而促使钢结构建筑设计水平能够提高，在提升钢结构建筑整体质量的同时，推动建筑行业的长远、稳健发展。

一、建筑钢结构概述

1.建筑钢结构

建筑业为了提高建筑质量，满足人们的生活需要，大量消耗木材材料，将对环境资源造成严重破坏，阻碍生态环境的可持续发展。而一旦采用钢结构，木材数量将大大减少，同时加强结构安全性，提高材料回收率，减少机械工程损失。钢结构施工是指利用钢材生产不同类型的钢构件，如钢载体、钢柱、钢梁和钢板墙等。这些钢构件通过焊接和螺栓连接等形式，形成安全稳定的施工现场体系。钢结构施工具有张拉能力强、抗荷载能力强的优点，同时钢结构安装相对便捷，机械工程不产生大量粉尘等有害气体。与其他结构相比，钢结构具有强度高、韧性好、造价低、抗震能力强等独特优势，目前随着建筑设计的不断深入，钢结构所占的比例也在逐年增加，因此，在施工中要合理选择钢结构，从稳定和效率的角度考虑钢结构的施工要点。

2.建筑钢结构节点分类

（1）刚性连接节点

1）梁的拼接。主要有螺栓连接、焊接连接两种形式。强度上看，前者不如后者，但是前者施工简单，质量控制也比较容易，在现场很多都是使用此类方式，后者的刚度会更好，但是一般都在工厂操作。

2）梁与柱的连接。一般来说，柱与梁的连接都是端板连接。利用2个建筑构件间的端板来完成，通常在低层、高层框架结构中使用，不用在现场焊接。

3）柱和柱的连接。结合柱截面的变化情况，分变截面柱拼接、等截面柱拼接。通常使用第二种方式。

（2）半刚性连接节点

对于半刚性节点，节点的承载力大于连接构件的承载力，但在实际施工过程中，由于这种类型与建筑结构的关系，构件的弹性刚度大于节点的弹性刚度。

（3）铰接连接节点

主次梁的连接，大多数是简支梁连接。但是，如果建筑要求较高，可以采用刚性连接，这种方法比较复杂，但是次梁不需要翼缘处理。

3.高层建筑钢结构设计

与高层建筑的混凝土结构相比，钢结构具有以下优点：首先，钢材料具有良好的强度和较强的抗震性能。另外，钢结构的韧性比混凝土大。二是施工速度较快。钢结构施工多在工厂进行，批量生产，于现场的实际安装不需要铺设大型脚手架。压型钢板可作为混凝土模板的永久模板，无需再制作模板，另外钢结构施工阶层在4d左右，混凝土施工约6d，实际减少了施工时间，使钢结构的施工工期缩短。为了保证结构的安全稳定，设计人员在进行钢结构施工时，必须严格遵循钢结构的设计原则，并在设计过程中注意质量控制，充分考虑建筑物的强度和耐久性，以保证钢结构的稳定性。在钢结构施工中，为了更好地控制建筑物的重量，有必要在保证钢结构施工质量的前提下，减少钢材的使用量，同时在钢结构施工中要考虑建筑的外观美感。一般钢结构分为横向体系和纵向体系两部分，交叉结构体系主要受整个建筑的影响。在设计纵向结构体系时，应考虑钢支撑的强度、工程实施的难度等因素。

二、建筑钢结构设计中存在的问题

钢结构建筑具备经济效益高、稳定性强、施工简便、抗震性能高、节约环保等优势，目前在建筑行业中得到了普遍、广泛的应用，但是，在设计建筑钢结构的过程中，依然存在一定的问题，制约了设计工作的顺利进行，通常的情况下，主要包含以下几点。

1.设计市场存在混乱现象，钢结构设计质量较差

对近年来的我国设计钢结构建筑情况相关研究调查报告进行分析后，可以发现，设计企业往往需要对诸多项目进行承担，同时，在设定收费标准方面，时常存在价格过高的情况。在部分钢结构设计工作方面，因为收取费用较低，造成绝大多数的设计企业并不愿意承担此项工作，或者在设计方面存在经验不足的现象，只能够将部分钢结构设计工作向其他企业转包，甚至会造成层层转包的现象出现。除此以外，一些设计企业自身缺少承接钢结构设计工作的资质，只是采取购买设计图标的方式，导致钢结构建筑的整体设计质量下降，并且埋下不小的安全隐患。由此可见，当前我国相关政府部门必须要对设计市场做出进一步的规范，实现设计企业资质管理工作的强化，利用严格的监督与审查，进而对钢结构建筑的设计质量、效率做出保障。

2.设计深度不够，钢结构设计任务被传递给加工企业

现如今，绝大多数的设计企业内部工作人员在设计钢结构方面，存在经验不足、设计水平较低的现象，大部分都是在校或者刚毕业的新人来承担设计任务，通常的情况下，只是按照以往的设计经验进行照搬与复制，只能够做出构件布置图，对于关键节点部位并未做出详细设计，造成整体设计效果的降低。同时，部分设计企业会将节点设计、支座详图以及施工安装等均交由加工企业进行完成，对钢结构建筑的安全性、稳定性做出严重影响。在城乡建设部门以及住建部门中，明确提出规定：需要由设计企业完成钢结构施工图纸设计工作，必须要落实此规定到位，杜绝日后发生问题时，出现工作人员相互推诿、相互推卸责任的问题发生。

3.设计时未考虑施工难度，造成钢结构建筑施工受阻

部分设计人员虽然具备丰富的理论知识，但是却匮乏实际操作的经验，无法对施工的难易程度有所了解，也无法保障设计方案的可行性，甚至极有可能造成施工过程中发生安全事故。现如今，全焊接结构是钢结构工程所应用的主要结构形式，在结构体系方面呈现出复杂的状态，相交节点位置存在诸多的异形零件和杆件，这些零件和杆件需要进行加工厂内的拼装、焊接和施工现场的安装及焊接。但是，如果应用强制性措施使零件和杆件安装就位，将会造成零件与杆件之间、零件和杆件与钢构件主体之间发生极大的施工焊接应力，使整个节点的稳定性降低，而这些影响因素是设计人员必须要考量的问题，对钢结构制作及安装的可操作性、难易程度、焊接工艺、焊接方法及焊接应力释放等做出了解，才能够保障设计方案的可行性、有效性以及整个结构的安全性、稳定性。

三、建筑结构设计中钢结构的设计策略

1.钢结构加固设计

如图1所示，在对钢结构展开加固设计的过程当中，相关设计人员必须要对钢结构的节点性质、承载能力、荷载等内容做出合理性、充分考量，同时，在此前提条件下，对附加的钢构件承载能力做出不断调节。除此以外，在必要的情况下，还需要通过极限值的扩张，从而提高整体的钢结构力量，对空间钢结构的协同工作性质做出全面考虑，實现加固设计工作的顺利进行，如此，便可以对钢结构的标准化检查以及整体刚度的提升起到一定的促进作用。如果需要将刚性增加，对结构刚度加强是其重点内容，或者是对固有的钢结构自振频率等做出进一步调节，进而实现钢结构承载能力以及整体刚度的提升，同时，达成稳定性、安全性、耐久性提升的目标。在框架结构当中，必须要对柱的刚度做出强调，从而对钢结构整体刚度水平是否与相关规定、标准相符进行满足，实现整体荷载的降低，并且将钢结构刚度整体提升。

2.重视钢结构构件的设计

设计工作人员在设计钢结构建筑期间，设计的重中之重工作当属构件的设计，想要对整体结构的合理性做出保障，就必须要将施工技术标准作为依据，从而选取适宜的钢构件形式、钢材材料，确保能够顺利开展后续的施工操作。所以为了能够实现后续施工成本造价的节约，在保障建筑材料与相关规定、标准相符的前提下，可以对钢构件形式及材料选取展开综合性选择。例如图2所示钢结构建筑体系中，设计时经过一系列严谨的力学计算后，钢柱、屋架梁及吊车梁等重要承重钢构件的形式可选用大截面实腹焊接H型钢，板材厚度选择16-20毫米，焊接要求选择一级焊缝，钢材材质选取Q355B;而支撑、檩条及托架等次要的非承重结构，可选取小截面热轧H型钢和角钢，材料厚度选择8-12毫米，焊接要求选择三级焊缝，钢材材质选取Q235B。与此同时，在后续开展施工操作期间，随着钢结构设计软件的功能不断升级与优化，进而能够对钢构件形式、截面及材质的选取展开有效的验算与处理，从而有效确保钢结构整体的安全性和稳定性。

3.重视做好钢结构节点的施工设计

为了能够对钢结构建筑的稳定性以及安全性做出保障，在必要的情况下，必须要将钢结构施工管理工作进行强化，通过节点的合理、科学建立，从而对钢结构整体所涉及的全部因素以及建设的需求做出充分、细致、全面的考量，同时，将一套更具实效性、可行性的结构方案制定，进而对一个相对稳定的钢结构体系进行设计。除此以外，在设计钢结构节点的过程中，还必须要对实际的施工设计规定、标准、施工难易程度及可行性进行参考，了解并且掌握更加正确的施工方式，对合理的节点部位、节点形式等进行选取，从而保障设计的节点能够与建筑工程的实际情况相符，实现整体钢结构稳定性与安全性的提升。

4.钢结构防腐问题的设计

在设计钢结构方面，增添其耐腐蚀性同样也属于较为主要的工作。在钢结构建筑设计的过程中，设计人员必须要将钢结构工程的实际状况作为依据，例如结构体系是否位于多雨地区、沿海地区，钢结构体系暴露于空气中或被埋在混凝土内部等条件，从而选择适当的防腐对策来将钢结构的耐腐蚀性提升。为了能够对防腐问题做出有效处理，通常的情况下，可以先将钢构件进行抛丸或喷砂等表面处理，以起到良好的附着力，再将防腐涂料或油漆分层分次喷涂于钢构件表面，起到隔绝空气和各种液体的作用，从而对钢结构腐蚀现象做出更为有效的预防。

5.钢结构防火设计

在整体的建筑工程中，钢结构的防火设计工作尤为关键，因此，相关的设计工作人员必须要选择具备良好防火性能的材料。现如今，在建筑工程防火设计的过程中，必须要将建筑的防火等级作为根据。在选择钢结构防火涂料方面，应该尽可能选择黏结强度高、涂层厚的防火涂料，从而对钢结构防火涂层的质量与作用做出保障，实现建筑整体防火性能的提升。除此以外，在选取其他附属防火材料时，并不代表选择的材料够厚便能够达到防火标准，相反，应该尽可能选择薄一些的耐火材料，例如：防火顶棚压板材料等。同时，在后续应用该材料之前，必须要做好相应的防锈处理。另外，在防火设计期间，防火等级、防火标准属于重要的依据，这两个依据能够直接决定防火设计是否与相应的规范标准相符。除此以外，在防火设计方面还必须要减少结构的扭转，实行对称布置，进而对其稳定性以及刚度做出保障，通常的情况下，设计钢结构建筑，主要采取H型钢或者是口型钢两种方式。在设计之时，防火涂料及材料的应用最好在结构的外围，在防火的同时，也可以起到保护钢构件体系中主体结构的作用。

结论：

综合上述的分析而言，专业性、便利性、综合性是钢结构建筑的主要特征，而想要提升人民群众的生活质量，为其生活、学习与工作带来一定的便利，就必须要合理设计钢结构建筑，才能够对钢结构的整体安全性与稳定性做出保障。同时，在设计钢结构建筑期间，设计人员还必须要正视当前存在的主要问题，不断改善并提高自身的设计水平，从而全面提升钢结构建筑的整体质量，为建筑工程、施工单位带来可观的经济效益与社会效益，促使建筑工程能够朝着现代化、效率化的方向发展。

参考文献：

[1]杨帆.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法研究[J].房地产世界，2020（22）：32-34.

[2]王晓亮，张俊生.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法探讨[J].绿色环保建材，2020（03）：78-79.

[3]张旭，佟欢，董巍，辛明，韩刚.建筑结构中关于钢结构设计的问题探讨[J].居舍，2019（35）：93-94.

[4]于永杰.浅谈建筑钢结构设计现状及存在的问题[J].河南建材，2019（06）：281-282.

[5]薛贺雷.钢结构建筑在结构设计中存在的问题分析[J].四川建筑，2019，39（01）：42-43.

[6]王艳超.探讨钢结构建筑在结构设计中存在的问题[J].建材与装饰，2019（06）：102-103.