钢结构设计在房屋设计中的重要性与策略探讨

郑超毅 同济大学建筑设计研究院 （集团） 有限公司工程师

随着现代建筑设计艺术的进步、建筑材料种类和性能的增多，建筑设计呈现百花齐放的良好局面。钢结构设计作为建筑设计大家庭的重要一员，具有质量轻、延性好、强度高等独特优势，其应用范围越来越广，使用频率越来越大，与传统设计相比，其优越性愈加明显。但设计者也应该客观面对其结构易失稳、对火灾和高温抵御能力差等劣势，通过认识钢结构设计规律，扬长避短，更好地发挥其在现代建筑设计中的作用。

1 钢结构设计在房屋设计中的重要性

现代工业技术、制造加工业、材料科学以及设计理念的进步，特别是计算机辅助设计的巨大进步，为钢结构设计在房屋设计的作用发挥提供了强劲动力。

其一，有利于优化建筑结构。钢结构设计在房屋建设中的应用，使得建筑结构外观设计更加丰富多样，造型更能体现出设计思想与用户诉求达到完美统一。钢结构设计更有利于实现布置设计形式，使设计形式和内容更能体现出时代特点和使用者的个性化需求[1]。

其二，有利于环保施工。钢结构设计可以根据材料的特殊性，结合现代绿色环保施工工艺的运用减少对环境的污染。节能环保材料的应用可以延长建筑房屋的使用寿命，实现材料回收与再利用，节约能源，降低成本，发挥出传统建筑材料不能比拟的优势。

其三，有利于方便施工，实现材料和人工成本的节约，大幅提高施工效率。

2 钢结构设计在房屋设计中的现状和存在的问题

2.1 钢结构设计在房屋设计中的现状

与城市建筑物规模大型化、空间宽阔化的趋势相契合，钢结构房屋设计强度高、结构尺寸小、施工组织灵活方便的特点，在基础建设、高大楼宇建筑以及民用住宅经济适用房建设方面都得到了广泛运用。其经济性、简洁性以及功能多样性，在超大规模、超大跨度施工种的便捷性优势，是传统建筑结构设计方式无法比拟的。因此，钢结构设计在房屋设计中发展前景广阔。2018-2020 年间钢结构产量如表1 所示。

表1 钢结构产量

2.2 钢结构设计在房屋设计中存在的问题

但是钢结构设计在房屋设计中也存在着一些明显缺点，钢结构设计在房屋设计中的运用也存在问题。

第一，施工单位没有认真履行职责，对钢结构设计图纸的会审不到位，施工质量难以保证。

第二，钢结构制作质量未达到要求。在钢结构预制件、构件的加工制作过程中，操作人员的技术水平达不到精细施工要求，出现切割下料翼缘板尺寸宽窄不一，造成梁板有明显的凹陷、粗糙度超标以及切割不垂直度等质量缺陷[2]。

第三，在钢件焊接、分部组装、整体总装以及除锈防腐等施工环节，施工单位未组织技术人员会审图纸，影响钢结构总体稳定强度和外观质量，达不到质量标准的现象屡有发生。

3 发挥钢结构设计在房屋设计中作用的途径和策略

3.1 加强钢结构设计在房屋设计中的前景研究

我国建筑施工企业要针对当前城镇化建设、基础设施建设中钢结构规模和数量剧增的趋势，深化钢结构设计研究，不断丰富设计思路，完善设计手段，通过利用现代网络计算机辅助设计技术、总结钢结构设计经验、积极借鉴吸收国内先进技术等方式，推进钢结构设计理念、设计能力、材料优化、施工管理以及安装工艺达到新的水平。

3.2 提升建筑钢结构设计的精细化水平

设计过程要充分考虑建筑物所处的地理环境、自然气候条件及使用特点，充分考虑、落实设计因素和相关变化因素细节。在建筑物的结构形式和具体内容布局上，要将符合建筑物使用要求与为用户提供舒适环境相结合，把人性化设计体现在设计过程当中。在钢结构设计过程中，设计师要考虑整体结构与各辅助结构之间的关系，使钢结构的整体特征与各部分的特征优势得到发挥。工程设计中，在工程材料的选型方面，设计人员要充分考虑钢材料使用环境的特殊性，结合地域情况考虑防锈蚀和防环境污染[3]。

3.3 加强重点部位和关键环节的设计研究

钢结构设计要充分抓住房屋结构的特点，重点从以下环节进行设计。一是设计过程要充分考虑轴压比和减重比等关键因素。在设计房屋结构与钢材使用控制时，要充分考虑钢结构的延伸性和结构的安全性，降低竖向刚性裂变形成薄弱层的机率，防止结构产生滑坡和倾斜质量事故。通过建立数学模拟模型和沙盘演练，形成各种应力的均衡分布，确保房屋整体结构安全。二是在风载与地震的荷载应力设计中，要根据房屋结构内力与位移的不同，结合风荷载地震荷载对建筑物形成的弹性力量大小，合理进行力量分布，达到均衡性要求。三是在钢结构设计中要根据计算模型和房屋结构的具体构造、布置、造型以及钢结构总体荷载质量的分布，充分考虑建筑场地地质情况、地上地下地质结构类型、沉降以及倾斜误差等关键技术参数。

3.4 加强钢结构房屋设计过程质量管理

为加强钢结构房屋工程施工过程管理，施工单位要组织开展施工图会审，严格落实结构科学设计的全面内容，使所有岗位人员明确房屋建设质量管理的重点、操作规范及标准要求，严格执行施工质量管理“三检制”标准，确保施工质量万无一失。要加强钢结构制作质量，制作过程要严格按照构件材料、安装方式及应力平衡设计的参数标准，精细加工、精准操作，为钢构件的稳定性优化提供保障。同时，要建立健全质量保障体系，把钢结构设计在房屋的具体质量控制指标，通过以项目经理为核心的项目管理组织机构设置，为建筑的稳定性提供保障。

3.5 强化钢结构设计中的绿色环保及安全建设设计

强化钢结构设计中绿色环保施工及安全性建设问题，思路如图1 所示。针对钢材受自然环境和温度湿度变化影响大的特点，针对钢材长期暴露在室外环境下容易生锈腐蚀的情况，需加强对钢结构所用材料防潮、防淋等设施建设和防护技术研究，确保使用质量。要加强钢材防腐加工管理过程中不同材料的结构特点研究，采用有效的防腐材料涂抹方式，满足材料基础性和保障性要求。要加强钢结构施工中噪音、光、电污染防治，针对施工材料切割、焊接产生声光、噪音污染严重等现象，施工单位要采取设置隔声门、隔声窗、遮盖帐篷等防护措施减少污染。

图1 钢结构安全设计要求

另外，还要加强钢结构施工安全作业管理。针对钢结构施工跨度大、空间高，交叉作业、高空作业及吊装作业安全风险比较大的特点，制定周密的安全施工保障措施，制定安全事故的应急预案，加强施工人员的安全意识，明确安全隐患和防范重点。

4 结语

钢结构设计中的房屋结构设计是钢结构“大家族”的重要组成部分，钢结构设计质量与稳定性是房屋建设施工的根本，也是决定房屋使用功能和安全性的重要保障。基于此，设计师要在钢结构房屋设计中树立超前意识，提升建筑钢结构房屋精细化设计水平，加强对重点部位和关键环节的设计研究。施工单位要加强钢结构房屋设计过程的质量管理，注重钢结构设计中的绿色环保及安全建设设计，对钢结构的强度、刚度、稳定性及耐久性进行充分考虑，确保钢结构房屋使用功能的稳定和安全。