白学丽
中铁六局集团有限公司工程设计院北京100036
摘要：钢结构工程在我国起步较晚，尤其是高层建筑钢结构工程与发达国家相比较少。钢结构工程以其独特的优越性，在建筑业被越来越广泛的应用。但我国钢结构设计方面的理论和设计经验不足，存在着一些问题。所以，如何开展对此类工程的设计工作，成为我国钢结构设计行业面临的新问题。本论文从钢结构的稳定设计、围护结构中檩条的设计、钢结构中建筑设计的防火防腐问题、钢结构中建筑物理问题等几个方面分析了钢结构设计方面的一些问题。
关键词：钢结构；设计；建筑
1.钢结构发展概况
钢结构建筑已有100多年的发展历史，具有自重轻、性能好、施工迅速、工厂化程度高、劳动强度小等优点，所以钢结构工程以其强大的优越性能，在建筑业被愈来愈广泛的应用。然而钢结构工程在中国起步较晚，特别是高层建筑钢结构工程与发达国家相比较少，在钢结构设计方面的理论和设计经验尚浅，存有一些问题。所以，钢结构工程的设计方面的工作，是我国钢结构设计行业面临的新问题。针对设计行业面临的这些新问题，本论文对钢结构工程设计方面的一些问题进行了以下几个方面的分析探讨。
2.现代钢结构建筑的特点
2.1建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更具功能化
在钢结构建筑中，结构是形象构成的重要元素，结构的构件，形体，节点在很大程度上制约并塑造了建筑的形象。建筑与结构的功能和设计中只有做到一体化，方能使建筑功能更优越以便后续的各个设计环节顺利进行，创造出艺术与技术融为一体的钢结构建筑。北京08奥运会国家体育场投标方案中有很多方案都体现出了钢结构建筑的这种特点。比如，清华大学建筑设计院的可开合式方案设计，在体育场大屋面中央设置两个半圆型的玻璃顶面，同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开合。
2.2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，近似于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其强度与密度比远小于混凝土，砖石或木材。在同样受力的情况下，钢结构自重小，进而做成高度较高和跨度较大的结构以及灵活的结构形体。现代人已具备建造高度超过1000米最高到4000米与跨度超过1000米的超大穹顶的超高层建筑的能力。并且膜与钢索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。英国政府为了迎接21th世纪而兴建的标志性大型综合性展览建筑--伦敦千年穹顶亦是索膜结构体系，它的穹顶直径达到320米。
2.3原材料能循环使用，有助于环保与可持续发展
我国的能源与资源都日益短缺，发展钢结构对于中国有着意义重大，因为我国是世界上最大的混凝土建筑与砖砌体建筑国家。钢材是一种高效能高强度的材料，具有高再循环价值及边角料价值，无需制模施工。当前国际上的新型住宅产品已进入我国，其环保节能的优点主要体现在以下两个方面：
2.2.1该类型住宅采取全封闭式保温隔热防潮系统，热损失低，温差变化小。各种季节都具备舒适的居住环境。在室外温度达到30℃的情况下，室内温度仅在21℃左右；室外0℃时，室内仍可保持17℃以上。
2.2.2相比砖混结构住宅，可节能60%以上，冬夏季空调设备可节约耗电三分之一，结构的废旧利用率为100%；相比砖混结构，同样楼层净高条件下，钢结构维护墙体面积较小，节约空调所需能源，减小维护花费。
3.钢结构的稳定设计
稳定性是钢结构设计中的一个重要问题，在各类型的钢结构设计中，都会遇到稳定性问题。当前，钢结构中出现的失稳事故多数是由于设计者缺乏经验，不了解结构及构件的稳定性，对如何保证结构稳定缺少明确认识，造成结构设计中出现不该有的薄弱部位。在设计中，应明确钢结构稳定的基本概念，方能更好地处理钢结构的稳定问题。
3.1强度与稳定的区别
强度问题属于应力问题。稳定问题则与强度问题不同，它本质上属于变形问题。如轴压柱，因为失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，所以柱子的破坏荷载可以远低于它的轴压强度。
3.2钢结构稳定设计的原则
钢结构稳定设计应遵循以下二项基本原则：
（1）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相匹配。在设计单层和多层框架结构的时候，经常不进行框架稳定分析而以框架柱的稳定计算代之。采取此种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数应该从框架整体的稳定分析得出，这样方能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架各式各样，在设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型假定。根据这些假定，框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法，通常是根据一定的简化假设或典型情况得出，设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确地应用。
（2）结构的细部构造和构件的稳定计算必需互相配合，使两者一致。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中建筑界非常看重的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应该分别赋予它足够的柔度与刚度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是设计者处理构造细部时必须考虑到的。然而，在涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。比如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定的时候，上述要求显得并不足够，支座仍必须能阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁端截面自由翘曲和梁在水平平面内转动，以便符合稳定分析所采取的边界条件。
4.围护结构中檩条的设计
檩条的设计可按《钢结构设计规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（简称《轻钢结构规程》）相关条文的要求进行平面内及平面外稳定、强度、变形等计算，但对檩条平面外计算长度起决定作用的斜拉条、拉条、撑杆的布置概念比较模糊，特别是斜拉条如何设置、在何处设置撑杆等不是很清晰。如《轻钢结构规程》第6.3.5条已清楚规定当檩条跨度大于6米时，应在檩条跨度三分点各设一道拉条（或撑杆），斜拉条应与刚性檩条连接。前者要求一般能达到，但对于斜拉条的连接及撑杆的设置通常被设计者忽视。曾有设计者将斜拉条上端固定在柔性檩条上，且最上端两根檩条间的拉条仍设置为柔性拉条。对于对称屋面的檩条布置是有条件的，就是屋脊处两边的两根檩条必需连在一起，考虑两侧檩条的拉力平衡；但对于不对称的屋面来说，因为两侧拉力不能平衡，无论从传力还是受力角度来说，这样的布置显然是错误的。因此，决定檩条侧向计算长度的撑杆、拉条、斜拉条的布置必须具体问题具体分析，并于计算假定相一致。
《轻钢结构规程》第6.4.3条非常清楚地规定在最上层墙架处宜设斜拉条，将拉力传至承重柱或墙架柱上。实际上，作者认为屋面檩条侧向斜拉条的设置完全可按墙架檩条斜拉条的方式设置，同时最上端檩条与其相邻的檩条间设置刚性撑杆即可，而无需将最上端檩条改为刚性檩条，通过斜拉条将拉力直接传至屋面梁或桁架弦上。在实际工程设计中，部分设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑，如撑杆、拉条、斜拉条能正确设置，但对中间墙面或屋面，如屋面风机开孔处、门窗洞口、屋面天窗（采光窗）等，经常只设拉条，而漏设撑杆与斜拉条等，根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。根本原因在于对撑杆、拉条、斜拉条的传力作用及途径不清楚，同时也是对规范条文一知半解，从而给围护结构的设计带来安全隐患。
5.钢结构中建筑设计的防火防腐问题
5.1钢结构中建筑设计的防火问题
火灾是对钢结构建筑最大的危害，尽管钢材是燃烧材料，但不耐火，温度在400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材将基本失去全部刚度与强度，所以当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦火灾发生，建筑很容易损坏，从以往发生的钢结构建筑火灾案例中，可以察觉两种现象，一种是防火保护的钢结构在火灾中没能达到规定的耐火时间而破坏，另一种防火保护的钢结构在火灾中超过了预期耐火时间而并没有破坏。建筑的构造防火问题通常在钢筋混凝土结构上容易解决，然而在钢结构建筑上则须考虑更多的元素。下面介绍两种常用的防火措施：一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；二是采用进口的新型防火板—保全板。
5.2钢结构中建筑设计的防腐问题
如果钢材长期暴露在室外受到风雨等自然力的侵蚀，生锈老化，则它的自身承载力会下降，建筑的美观亦会受到影响。所以防腐问题也是钢结构建筑设计需要解决的问题，当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，设计工程师在遇到钢结构建筑中对所设计的建筑都作出特别的要求，比如涂刷防锈涂料或防火涂料。通常防火涂料做法是先刷红丹防锈底漆两度，再刷钢结构面漆两度（面漆颜色由甲方定）。其次，对钢结构建筑的钢结构构件施工也有明确的要求，比如构件出厂前涂红丹防锈底漆一道。钢结构安装调整后，将其清洗干净，再刷一度底漆，两度面漆。尽管现在市面上存在各种各样的防腐涂料，但是较为有效的防腐涂料仍需进口。笔者觉得，随着我国综合国力的不断强大，将会生产出更优秀的新型防腐涂料。
6.钢结构中建筑物理问题
6.1保温
外部环境对建筑的热辐射主要从2个方面影响建筑的热环境：一是被建筑的外围护结构表面吸收，其间一部分热量通过建筑围护结构的热传导逐步进入室内；二是透过窗户进入室内，并被室内表面所吸收，产生了加热效果。因为玻璃可以让阳光直接射入室内从而迅速升高室温，特别是随着新型玻璃材料的不断涌现，玻璃的热工性能逐渐改良，建筑采光与建筑保温之间的矛盾已慢慢淡化，“遮蔽”与“阻隔”趋于平衡。因此，对建筑的保温措施主要集中在外围护结构上，目前对此有2种较有效的解决办法：
（1）防止保温材料凝结水外保温和中间保温作法。可防止保温材料因为蒸汽的渗透积累而受潮。内保温作法则保温材料可能在冬天受潮，外保温可避免主要承重结构受到室外温度的剧烈波动影响，进而提高其耐久性。外保温作法对外表面的保护层要求较高内保温与中间层保温则由于外表面是由强度大的密实材料组成，饰面层的处理比较容易。
（2）优化、研制保温材料的构造，提高建筑热环境性能。比如在建筑物得内外表面或外层结构的空气层中，采取高效反射材料，可将大部分的红外射线反射，进而对建筑物起到保温和隔热作用。其次，还可运用新型节能墙体，高效节能玻璃，硅气凝胶材料促进到节能的效果。
6.2吸音
在某些建筑大厅特别是在音乐厅中，顶棚反射板增加的反射声几乎瞬时到达听众的双耳，缺乏侧向反射带来的围绕感。在此类建筑的设计中，须综合考虑材料的应用，包括吸声性能和装饰性、防火、强度、加工、吸湿等多个方面。目前广泛地应用于噪声控制和音质设计中的解决途径是吸声结构与吸声材料。
（1）吸声结构：材料本身可不具备吸声特性，但材料制成某种结构而产生吸声，比如穿孔石膏板吊顶。
（2）吸声材料：材料本身具有吸声特性。比如岩棉等纤维、玻璃棉或多孔材料具有良好的吸声性能，因为空气的粘滞阻力、孔隙壁和空气分子的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声。
（3）隔音。噪声于建筑密不可分，噪声污染的治理和防治已成为建筑声学重要的组成部分。噪声控制、噪声规划等理论也逐步演化开来。人们可以听到的声音都属于声环境范畴。人们可以听到鸟鸣、歌声、音乐、谈话、泉水叮咚等；但也能听到机器轰鸣、吵闹、车辆的轰鸣等噪声。但主要是有安静要求的房间，比如演播室、录音室、居民住宅卧室、旅馆客房等建筑对隔声隔振要求十分高，须专门的声学设计。对于公用建筑、旅馆、民用住宅人们对安静的要求也愈加重视。并尽量靠近声源，提高隔声效果。一般隔声间外墙使用隔声性能较好的结构或材料，如混凝土、砖、纸面石膏板墙等等，观察部分使用隔声窗，进出部分使用吸声迷道或隔声门等。
结语
钢结构工程是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型。钢结构已愈来愈广泛地被应用在国内外高层建筑及大跨度结构中，钢结构将是未来结构发展的主流方向。然而，钢结构施工还存有不少问题亟待研究解决，如何做到设计合理、经济适用、施工安全将是留给广大科研设计施工人员永续的问题。笔者相信，只要合理规划，加强领导，积极组织，行业、政府、企业共同努力，产、学、研紧密结合协作，钢结构产业的发展将必定会更加兴旺。
参考文献：
[1]赵荣超.关于钢结构工程设计施工的一点体会[J].科技创新导报.2012（08）
[2]陈怀志.关于钢结构工程设计问题的分析[J].河南科技.2013（3）