探析我国建筑钢结构设计规划及发展

何力

（四川蜀道城乡投资集团有限责任公司，四川成都 610000）

0 引言

近年来，随着对建筑市场的日益增长，对建筑品质的要求也越来越高。建筑钢结构是一项新兴的工程技术，它已经在国内逐步占有一席之地，但从目前的状况来看，我国的建筑钢结构设计状况并不理想，与欧美发达国家的建筑钢结构设计水平还有很大的差距，并且还存在着许多问题，必须予以关注和克服，使得钢结构在国内的应用中能够发挥出更大的优势。

1 建筑钢结构概述

1.1 建筑钢结构

建筑钢结构和其他的建筑相比，它有自己的优点，那就是钢材的强度更高，韧性更好，自重更轻，施工速度快施工周期短。在我国的建筑设计中，钢结构的比重逐年递增，已成为我国建筑结构中使用最多的一种。因此，从稳定性、效益性等方面考虑钢结构的设计重点。

1.2 建筑钢结构节点分类

1.2.1 刚性连接节点

（1）拼合的横梁。梁的拼接一般分为两种：①螺栓联结。②焊接接头。从刚性上来说，前者要比后者更小，但前者可以制造出更好的焊接接头，而且可以保证质量。后者刚性较强，通常用于工厂装配。

（2）将梁柱连接起来。通常，梁和立柱之间采用的是端面板连接。即采用两块结构部件之间的端板进行连接，一般用于低层、高层框架结构，具有质量好、抗震性能好、无须现场焊接等特点。

（3）立柱与立柱之间的连接。通常，根据柱子截面的改变，可分为柱身变段拼接和等截面柱体的拼接两类。一般情况下，采用第二种方法连接立柱和立柱。

1.2.2 半刚性连接节点

对于半刚性连接节点，节点承载能力与连接构件承载能力比较，节点承载能力较大；然而在实际设计中，由于这种连接方式与结构设计的关系，使得连接节点的弹性刚度比连接构件的弹性刚度要大，因此半刚性连接节点并未应用。

1.2.3 铰接连接节点

主梁与副梁的联接。大部分都是简单的连接，但如果建筑要求比较高，就可以采用刚性连接，但这种方法比较复杂，因为次梁不需要用翼缘，因此，这种连接方式很受设计者的欢迎。

1.3 钢结构设计原则

（1）除采用允许应力方法进行疲劳强度的计算外，其他设计采用极限状态设计方法，以概率理论为依据。

（2）所有的承重结构应同时考虑两种情况，即承载力极限和正常使用极限。

（3）在设计时，要根据建筑物的不同特征，对其安全级别的要求进行综合考虑，并运用相关系数，反映在荷载作用下。

（4）在将承载力极限状态相结合的情况下，进行结构构件的设计或连接时，往往要根据实际情况，综合考虑荷载作用的影响。

（5）在正常使用极限条件下，根据不同的设计需求，采用不同的载荷组合。

（6）在进行疲劳强度校核时，应该采用允许应力方法。

（7）在选用钢时，应综合考虑受力条件、环境位置和施工工艺等因素。

（8）在选择钢种时，应注意一系列的指标，例如拉伸强度和含碳量等[1]。

2 我国建筑钢结构技术发展存在的问题

2.1 钢结构设计整体水平有待提升

按照住房和城乡建设部颁布的《轻型房屋钢结构工程设计专项资质管理暂法》的规定，从事轻型房屋钢结构工程设计设计专项资质的单位，必须取得轻型房屋钢结构工程设计专项资质证书后，方可承担相应的业务。可见，国内对建筑钢结构设计的要求越来越高，但由于国内工程设计院的数量和人员的短缺，而建筑钢结构设计的需求日益增长，使得设计工作十分繁重，由于钢结构设计费时费力，而且造价也比较低廉，因此有些设计院把钢结构设计委托给其他设计单位或企业，而这些单位或企业由于资质或能力不强，在建筑钢结构型设计上缺少专业知识，对钢结构的关键技术不够透彻，导致了设计盲目、混乱、不符合规范。一些设计单位正在将全铸钢、全焊接等项目交给生产厂家，但由于许多工厂缺少相应的计算设备，没有掌握好设计要求，导致钢结构材料的适用性低、质量差，同时也造成了大量的钢材资源浪费，甚至出现质量事故。

2.2 结构设计自主创新能力不足

相对于世界先进的钢结构设计技术，国内在钢结构设计方面还存在着自主创新能力不足的问题，在设计上存在着仿冒式的问题，没有根据我国的国情进行科学合理的设计，特别是在遇到高难度、复杂的建筑项目时，设计人员或设计人员的自主性和自主性的不足，造成设计上的保守和设计的深度不够，在设计时，增加重要系数的取值，采用一级全熔透焊缝，420MPa、490MPa 的强度，以及一些单位和设计者过分追求经济效益，忽略将建筑钢结构相关系数和焊接工艺与工程实际结合起来，造成工程建设中大量采用构件，增加设计费用，避免工程材料浪费，增加施工成本，影响建筑钢结构设计的持续健康发展[2]。

2.3 结构设计的标准不够完善

我国目前对钢结构设计的技术还处于研究和充实阶段，有关的规范还不完善，施工行业对钢结构设计技术的监督和管理还很欠缺。目前，我国钢铁工业已研制出Q235GJ、Q345GJ 等多种性能优良的厚板，其延性、冲击韧性、低厚板效应、焊接性能等指标均符合钢结构抗震设计的要求，而《建筑结构用钢板》（GB/T 19879—2005）对钢结构的相关标准也进行了修订，但由于目前国内对钢结构的设计还没有进行相应的调整，致使建筑钢结构设计在实际应用中的应用受到了很大的限制。

2.4 设计过于保守

过分保守或过分先进，不适当地随意提升设计标准，或降低设计安全级别有些设计者对复杂的工程没有经验，心里没有底，盲目地追求高标准，导致设计过于保守，随意增加安全级别，对构件不区分轻重缓急，对重要系数随意增加，杆件“应力比”的取值过低；不加区分的焊缝等级均采用一级全熔透焊接；钢的等级不论其使用状况和部位均采用C、D 级；钢的强度等级不论是否需要任意使用420MPa、490MPa 的高强度钢；在不认识“焊接残余应力”的基础上，误把“残余应力”排除在外。由于以上原因，常常导致结构构件尺寸过大，投资大幅增长，这些都是不合理的设计方案所致。

3 钢结构整体性设计中问题的解决对策

3.1 在设计中强调管理

因为在建筑结构设计中，在进行钢结构的设计时，所牵扯到的范围比较广，所以，在进行钢结构的设计时，必须要有一个比较健全的监管体系来作为参照，并加以约束。另外，在不同的环境和使用情况下，也会有特定的设计需求，需要在进行设计时，针对这些需求制定出相应的方案。与此同时，在进行钢结构设计的时候，在对承包单位进行资质审核的时候，也要对其进行严格的把关，只有这样，设计人员才能做出更有深度、更有创意的设计方案，才能保证最后的房屋质量。从而从本质上确保了设计的方案更能满足顾客的要求，从而保障了它的科学性和合理性；从总体上改善了钢结构的设计品质，并在建设过程中提高了工作效率。

3.2 优化设计方案

对于钢架来说，它虽然有很强的抗腐蚀能力，但是长期暴露在湿气和水里，还是会受到腐蚀。所以，关于钢结构的防腐性能，设计者在进行方案设计时，应重点强化其耐腐蚀性，然后在钢结构表面涂上具有良好的耐水性和粘附性的涂料，从而进一步增强钢结构的防水性能。另外在建筑工程的安全管理过程中，安全防火是一个很重要的方面，因此，在设计过程中，要将钢结构的防火性能提高，在进行设计前，设计人员要深入建筑的施工现场，对其进行实地考察，并按照有关的法规和具体的情况，制定出一个合理的钢结构防火方案，并与建筑的特征相结合，对钢结构的位置、防火材料的性能、防护后钢结构的承重进行评价，并对防护措施的经济预算、施工的方便性、占用空间的大小等因素进行考量。在此基础上，进行合理的抗震加固，避免火灾发生后，因火灾而导致的倒塌，从而加大灭火的难度。

3.3 优选设计法提高钢结构稳定

（1）用允许应力方法进行钢结构的设计。在建筑钢结构的设计中，最常见的一种方法就是允许应力法，它的目的就是为了保证建筑钢结构的整个受力系统的合理性，从而防止在每一个环节中产生不稳定等问题。在使用容许应力法来对建筑钢结构工程进行设计的时候，应该将有关的计算与分析工作做得很好，对钢结构的内部应力有一个较为详尽的了解，尤其是要保证设计要符合钢结构材料的承载要求，避免因为承载力不够而导致变形、坍塌等现象发生。

（2）用极限状态方法进行建筑钢结构设计。在建筑钢结构工程设计中，使用极限状态法也是一种较为常用的方法，它的目的是对建筑钢结构的极限承载状态进行分析，从而对其载荷需求有一个清晰的认识，然后再采取一些合理的措施对其进行平衡，从而确保结构设计的可靠性和稳定性。过去，在进行钢混结构的设计时，设计者往往仅注重于安全，从而导致了结构失稳。针对这一点，如果使用极限状态法进行设计，那么不仅可以保证建筑钢结构的可靠度，而且还可以对塑性变形、材料断裂等问题起到更好的规避控制作用，从总体上提高了建筑钢结构的安全性。

（3）用塑性法进行建筑钢结构设计。塑性设计法也属于建筑钢结构工程设计中的一种常见的方法，它的主要内容就是对钢结构材料的各个组成单元展开细致的分析，从而保证结构具有理想的塑性效果和强度，从而防止在长期使用的过程中，结构出现缺损、材料断裂等问题。与此类似，在实际运用过程中，塑性设计法也要首先对建筑钢结构内部力用力及内力分配效果展开详细的分析，然后才可以找到合理的结构处理方法，以保证整体结构的稳定性。

3.4 提高设计队伍的素质

在钢结构设计过程中，设计人员扮演着重要的角色，他们的技术水准和职业素质直接影响到了设计的品质，因此，需要建立一支专业化的设计队伍，并对设计人员开展定期的培训，让他们掌握自己的专业知识，并且要对他们进行严格的考核，将他们的成绩与工作业绩联系起来，以此来推动设计人员持续提高自己的素质；此外，公司也鼓励设计师们到外地去进修、考察，开阔眼界，将最新的钢结构理论与实践相结合，以提高其性能；另外，在有条件的情况下，还可以从外面引入一些优秀的设计人员，为我们的设计队伍补充新的血液，从而提高我们的整体实力。

4 我国建筑钢结构设计的发展展望

4.1 设计理念更新

虽然我们的建筑钢结构技术发展的比较晚，但是我们的设计技术已经有了很大的进步，随着环保的发展，我们的环保意识也在不断的提升，我们将会在未来的发展中，不断的提升钢铁的使用效率，在不断提高建筑钢结构的功能的基础上，降低了资源的浪费，从而达到了建筑行业节能减排的目标。

4.2 自主创新能力发展

随着钢结构在施工中的应用越来越广泛，建筑钢结构人才的培养也越来越受到业界的重视，除了强化设计单位的培训之外，许多大学都在开设建筑钢结构专业的课程，另外，钢结构对钢结构的品种、性能、质量要求的提高，使得我国钢铁工业的研发、生产、制造钢结构用厚板材料的能力逐渐提高，某些品种的性能甚至超过了日本、美国，这些优质钢材为国内建筑钢结构设计提供了可靠的保障。

4.3 相关标准逐步完善

建筑钢结构对钢的质量有很高的要求，但有关设计规范和规范并不统一，如钢结构设计中的焊接、防火、防腐等方面的检测和监理水平与国际上的水平相差甚远，所以，有关部门应当尽快完善有关标准，加强监理、质检、监理等部门的工作积极性，加强设计单位的资格，建立健全的法规体系，对设计单位进行规范，并将其与科学全面的钢结构设计规范相结合，为设计单位、钢铁企业等提供实际有效的参考[3]。

4.4 增强总评规划能力

只有在实际工作中，我们才能对计划的知识有更深入的了解，并具有实际操作的能力。另外，尽量多地了解钢结构设计的思想动态及趋势，力求使设计师与投资商之间达到最好的协调，以便更好地与甲方进行交流。作为设计者，首先要根据国家有关法规、地方政府制定的容积率、建筑密度等进行宏观调控；其次，一个有经验的建筑师应该能够决定建筑的基础结构、建筑风格、消防通道、社区道路等[4-5]。

5 结语

我国的建筑钢结构设计对现代建筑的发展起着举足轻重的作用，钢结构已被广泛地应用于建筑工程，钢结构技术发展迅速，然而，我国钢结构设计的整体水平还不够高、自主创新能力较弱、钢结构技术安全需要提高、结构设计规范不完善等问题。我国的建筑设计单位和人员，在长期的发展中，应不断更新设计观念，增强自主创新的能力，同时，国家相关部门也需要完善相关标准与规范，以推动我国建筑设计、技术的不断进步。