浅谈现代建筑钢结构设计应用

浅谈现代建筑钢结构设计应用 刘振君青岛和华建筑设计有限公司（山东青岛） 266071考冬梅山东铭远工程设计咨询有限公司（山东青岛） 266071摘要 ： 随着高层建筑高度的不断增高 ， 现代建筑设计中采用钢结构的越来越多， 高层钢结构住宅设计和施工技术日趋成熟，是未来我国大力发展的结构形式之一。高层建筑钢结构的应用需要大量的专业技术人员，以实事求是的精神 、科学律已的态度，促进这一行业更好的发展。 关键词：钢结构建筑 结构体系 设计原则 设计技术中图分类号： TU391文献标识码： A前言 ： 目前国家提倡绿色环保建设 ， 钢结构体系已成为住宅建筑中的一种绿色环保的新型结构体系。钢结构体系具有轻质高强、抗震性好、基础造价低 、 施工周期短 、 质量易保证 、 商品化程度高 、 外形美观 、 适用性广 、 建筑布局灵活合理 、 增加有效使用面积 、 提高建筑使用功能 、 节约能源 、 符合环保等明显的技术 、经济和社会综合效益 。 它有利于促进节能环保 ， 所以钢结构住宅建筑必将具有更广阔的发展前景。 一、现代钢结构的建筑特点 1.1施工周期短，用于施工的钢结构构件是可以进行工厂化生产的 ， 然后将成材运输到施工现场进行现场安装 ， 可以很大程度上缩短施工的周期 。 可循环利用 ， 跟其它结构建筑物相比 ， 钢结构的建筑施工材料在建筑物拆除后可以进行二次利用 ， 从而可以减少大量的建筑垃圾 。 空间大 ， 由于钢材的抗压 、 抗侧弯强度都是混凝土的 1.5倍，所以在相同强度要求下，可以大大减小建筑物结构体积，增大有效的空间 。相对于钢筋混凝土建筑，钢结构建筑可以增加 5%-8%的使用面积率。1.2预工程化程度高，建设成本降低，钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产 ， 提高了建筑预工程化 ， 使不同材料 、 不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性 。 同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化 ， 大大降低了建设成本 ， 并且加快了施工速度 ， 使工期能够缩短 40%以上 ， 从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。 1.3建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化在钢结构建筑中 ， 结构成为形象构成的重要因素 ， 结构的形体 ， 构件 ， 节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象 。 建筑与结构的设计与功能只有做到一体化 ， 才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去 ， 创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。 1.4钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求钢材组织均匀 ， 接近于各向同性匀质体 ， 强度高 ， 弹性模量亦高 。 其密度与强度的比值远小于砖石 ， 混凝土 ， 木材 ， 在同样受力情况下钢结构自重小 ， 从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体 。 现在人类已具有建造跨度超过 1000米的超大穹顶与高度超过 1000米最高至 4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求 ，使这类型建筑成为标志性建筑 。 比如日本东京后乐园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的索膜结构，面积达 28000平方米。英国政府为迎接 21世纪而兴建的标志性建筑伦敦千年穹顶一大型综合性展览建筑也是索膜结构体系 ， 其穹顶直径达 到320m。1.5原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展(1)该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统，温度变化小，热损失低。不论冬夏，都具有舒适的居住环境。室外 0摄氏度时，室内仍可以保持 17摄氏度以上，在室外温度达到 30摄氏度的情况下，室内温度仅为 21摄氏度左右。(2)与 砖 混 结 构 住 宅 相 比 ， 可 节 能 60qo以 上 ， 冬 夏 季 空 调 设 备 可 节 约 耗 电30%以上，结构的废旧利用为 100%。与砖混结构比较，同样楼层净高条件下 ， 钢结构维护墙体面积小，节约空调所需能源，减小维护费用。 二、高层钢结构住宅的结构体系 2.1钢 框 架 结 构 体 系 。 其 特 点 是 受 力 明 确 ， 平 面 布 置 灵 活 ， 为 建 筑 提 供 较 大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀，具有较大的延性，自振周期较长 ， 因而对地震作用不敏感 ， 抗震性能好 ， 结构简单 ， 构件易于标准化 、 定型化 ， 施工速度快 。 但框架结构属典型的柔性结构体系 ， 其侧向刚度差 ， 易引起非结构构件的破坏。 2.2钢 框 架 一 支 撑 结 构 体 系 。 为 了 提 高 钢 框 架 的 侧 向 刚 度 ， 有 效 地 抵 抗 水 平荷载 ， 减少层间位移 ， 通常在墙体平面内布置由角钢或槽钢构成的垂直支撑体系 ，当房屋较高时 ， 较纯框架经济 。 支撑设置的位置要合适 ， 为了与建筑设计相协调 ，一般布置在窗台下至下层窗顶之间，既隐蔽又能满足支撑体系的需求。 2.3交错桁架结构体系 。 由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成 ，桁架高度等于层高 ， 在相邻柱上为上下层交错布置 ， 楼板一端搁置在桁架的上弦 ，另一端搁置在相邻桁架的下弦 。 由于两开间布置一榀桁架 ， 且中间无柱子 ， 所以非常适合要求各单元灵活布置的住宅、旅馆建筑。三、设计原则 承重钢结构体系的结构设计宜遵循强柱弱梁 、 强节点弱构件的一般设计原则 ，在具体设计时 ， 若较难满足强柱弱梁的设计公式 ， 则满足轴压比要求也可 。 框架主梁的材料一般可选用热轧或高频焊接 H型钢 ， 次梁可以有多种作法 。 框架柱子的材料一般可选用热轧或焊接工字钢 、 型钢 、 方 （ 箱形 ） 钢管 、 圆钢管或冷弯薄壁型钢 、 轻型热轧型钢 。 为了节约钢材 ， 降低造价 ， 框架柱也可采用在空钢管内浇筑高强素混凝土而形成的钢管混凝土框架柱 。 由于钢管混凝土柱结合了钢柱与混凝土柱的优点 ， 具有良好的受力性能 、 抗震性能和耐火性能 。 其单柱的轴向承载力大幅提高 ， 使钢柱截面尺寸大幅减小 。 与 H型钢柱相比 ， 用钢量可节省 约50%，造价约降低 45%。四、现代钢结构中建筑设计所面临的问题4.1钢结构中建筑设计的防火问题火灾是对钢结构建筑的最大危害 ， 钢材虽为非燃烧材料 ， 但钢不耐火 ， 温度 为400度时 ， 钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半 ， 温度达到 600度时 ， 钢材基本损失全部强度和刚度 。 因此 ， 当建筑采用无防火保护措施的钢结构时 ， 一旦发生火灾 ， 很容易使建筑损坏 ， 因此建筑的构造防火问题一般在钢筋混凝土结构上较易解决 ， 而在钢结构建筑上则需考虑更多的因素 ， 以下为两种常用防火措施 ：一是采用进口的新型防火板一保全板 ： 二是根据钢结构的部位不同分别采用厚型或薄型的防火涂料，并在露明部位加涂装饰漆。4.2钢结构中建筑设计的防腐问题钢材如果长时间暴露在室外受到风雨等自然力的侵蚀 ， 防腐问题也是钢结构建筑设计需要解决常见问题 ， 目前的做法主要是采用新型防腐和构造材料 。 在实际建筑设计中设计人员在遇到钢结构建筑时对所设计的建筑都做出特别的要求 ，比如涂刷防锈涂料，防火涂料属于油漆类。五、钢结构建筑设计与技术 5.1钢结构建筑设计的技术建筑形象的构思是一个概念形象的创作过程，是建筑创作的难点之一，也是建筑设计中备受关注的核心问题之一 。 建筑设计的宗旨也从单纯的追求美发展到追求问题的合理解决，从根本上改变了人们以往对建筑的认识和设计方式 ， 并最终影响了人类千百年来形成的传统建筑观，比如高技派建筑就是其主要代表 ，其 以 精 致 的 节 点 和 精 细 的 加 工 来 体 现 高 超 的 技 艺 ， 以 更 高 的 工 艺 水 平 来 设 计 和“ 制造 ” 建筑。5.2钢结构建筑细部设计有较高要求钢结构建筑设计的复杂化与精致度要求越高，对细部设计的要求也越高。因为细部设计决定一个地方最终是否得到确认及其质量。在现代钢结构建筑中 ，各种金属结构杆件 ， 连接金属杆件的节点细部 ， 常常暴露在外 ， 使建筑带有强烈的科技感。 结束语： 钢结构建筑设计应根据不同的条件而有所侧重 ， 一个好的建筑设计 ， 必须做到形象构思与结构构