民用多、高层钢结构设计中的常见问题分析

黄禹铭

华蓝设计（集团）有限公司 广西 南宁 530000

钢结构是目前应用广泛的一种结构形式之一，在多、高层民用建筑中更是得到了广泛应用。这种结构形式具有许多优点，例如自重轻、有良好的耐久性、稳定性和抗震性能等，这些优势使其在各种功能的建筑中占据了越来越重要的地位。为了让钢结构充分发挥其结构体系的优势，满足结构可靠性的基本原则，使其符合安全性的要求，基于此，开展民用多、高层钢结构设计中的常见问题的分析研究就显得尤为必要。

1 钢结构民用中高层建筑的优势

与传统钢筋混凝土民用建筑相比，钢结构民用中高层建筑具有非常明显的优势。

抗震性能好是最显著的优势之一。由于钢结构具有较好的弹性性能和塑性变形能力，能够在地震等自然灾害中保持较好的稳定性和安全性，有效减少地震对建筑和人员的损害。

钢结构建筑的施工周期也相对较短。由于钢结构建筑采用工厂化生产、现场组装的方式，可以大大缩短施工周期，提高施工效率，从而降低施工成本，为企业带来更多的经济效益。

钢结构建筑的空间利用率也较高。由于钢结构可以实现大跨度、大开间的设计，使得建筑内部空间得到充分利用，减少空间浪费，提高空间的利用率和实用性。同时，钢结构建筑也更容易实现个性化设计，满足不同用户的需求。

维护成本低也是钢结构建筑的优点之一。由于钢结构建筑材料坚固耐用，使用寿命长，因此维护成本相对较低。相对于传统钢筋混凝土建筑，钢结构建筑的维护成本更低，节省了用户的维护费用。

钢结构建筑还具有环保节能的优点。建筑材料可以回收再利用，减少资源浪费，同时也能够减少建筑的能耗，达到环保节能的效果。这种环保节能的建筑方式符合当前社会对于可持续发展的要求，为人们提供更加健康、舒适、安全的居住环境。

钢结构建筑还具有美观大方的外观特点。这种建筑外观简洁大方，线条流畅，具有现代感和科技感，能够满足人们对于建筑美学的需求。这种美观大方的建筑风格也为城市增添了更多的特色和魅力。

2 民用多、高层建筑钢结构设计中需要遵循的原则

虽然和传统钢筋混凝土民用建筑结构相比，钢结构民用建筑在很多方面都有非常显著的优势，但在实际设计中依然需要严格遵循多项原则，才能设计出高质量、高品质，符合现代居民生活所需的民用建筑。在民用多高层建筑钢结构设计中应当严格遵循以下原则：

安全性原则：钢结构建筑必须严格遵循安全性原则，确保建筑在面临各种自然灾害和人为因素影响时，如强烈地震、狂风大雪、意外爆炸等，能够稳固可靠，不会出现危及人身安全和财产损失的情况。为此，钢结构建筑的设计和施工必须经过精密的计算和严密的论证，确保结构的安全性和稳定性。

经济性原则：钢结构建筑在设计过程中应充分考虑经济性原则，以实现建筑成本的最小化和建筑效益的最大化。为实现这一目标，设计人员需要对材料的选择、结构的优化、施工方法的确定等进行全面的考虑和分析，在保证建筑质量和安全的前提下，尽可能降低施工难度和成本，提高建筑的性价比。

美观性原则：钢结构建筑的设计应注重外观美观，体现出现代感和科技感。建筑师需要充分发挥创造性思维，将钢结构建筑的特点和优势巧妙地融入到设计中，使其在视觉上呈现出独特的魅力和时代气息。同时，还要注重建筑与周围环境的协调性，使建筑与自然环境相得益彰，营造出和谐美好的视觉效果。

耐久性原则：钢结构建筑的设计必须考虑其耐久性，确保建筑在长期使用过程中保持良好的状态。为实现这一目标，设计时需对材料进行精心选择，并选择合理的结构形式和防腐、防火等措施，以延长建筑的使用寿命。此外，针对可能出现的问题和缺陷，设计人员还需制定相应的应对措施和技术保证体系，确保建筑的长期稳定性和可靠性[1]。

施工可行性原则：钢结构建筑的设计必须充分考虑施工的可行性。在确定结构形式和施工方案时，设计人员应深入了解现场施工条件和工艺流程，尽可能选择易于实施、便于操作的施工工艺和方法。同时，设计人员还需对施工过程中的质量管理和安全监控等方面提出明确要求，以保障建筑施工的顺利进行和质量安全。通过合理的设计和优化，提高施工效率，降低施工成本，实现设计与施工的良性互动。

3 民用多、高层建筑钢结构设计中的常见问题

3.1 结构布置设计问题

对于高层建筑钢结构设计来说，钢结构布置非常重要。只有合理的钢结构布置才能够保证高层建筑在进行设计时能够充分发挥其自身的优势。因此，必须要对高层建筑钢结构的布置进行科学合理的规划，确保高层建筑能够按照其自身特点进行设计。通常来说，高层建筑钢结构在进行设计时会受到很多因素的影响，这些因素都可能对钢结构的布置造成影响[2]。比如，当高层建筑使用的材料比较多时，在对其进行设计时就需要考虑到这些因素，只有这样才能保证钢结构布置在符合国家规范的前提下满足使用要求。

由于高层建筑在进行设计时需要考虑到很多因素，所以在对其进行设计时需要保证其合理性。比如：高层建筑高度、楼层数量、柱距以及风荷载等因素都会对其产生影响，只有保证这些因素能够达到国家规定的要求时才能保证高层建筑钢结构设计质量。要想保证钢结构设计质量得到有效提升，还需要保证高层建筑钢结构在使用过程中不会受到外界因素影响[3]。比如：如果高层建筑中出现了一些异常问题就需要及时采取措施进行处理，否则将会对整个工程造成严重影响。

3.2 结构高度设计问题

高度设计是民用中高层钢结构建筑设计的重中之重，若在实际设计中高度问题没有得到有效解决和处理，会危机到民用建筑的稳定性和安全性。在现行的民用建筑设计规范和标准中有明确规定，民用钢结构建筑的类型不同，抗震设防烈度不同，则最大的适用高度也不相同，具体如表1所示：

表1 中高层民用钢结构建筑结构类型、抗震设防烈度、最大适用高度表

按照表1中的规定，在进行民用多高层建筑钢结构高度设计中，需要同时考虑民用建筑的抗震设防烈度、结构类型、经济发展状况、施工技术水平、建筑科研水平等多个方面。而且这些数据普遍具有很强的权威性，在设计中必须严格遵循，同时这也和现如今如果土木工程规范体系并没有任何冲突。但在实际设计中，一些房地产开发商，为获得更大的经济效益，在高度设计时经常会打破现行规范和标准规定的最高限制高度。比如：上海标志性建筑金茂大厦，由多个结构体系共同组成，其高度达到了惊人的420m。此外，中信广场虽然是钢筋混凝土结构，但其高度也达到了322m。为最大限度上保证民用建筑总体结构的安全性、稳定性，需要设计人员在实际设计中能够对超高限建筑秉着科学、严谨、认真、负责的态度，避免在地震、暴雨、暴雪等自然灾害，以及偶然荷载突增的情况下，致使超高限建筑工程出现较大的形变，影响民用建筑整体结构的稳定性，甚至引起安全事故，造成难以挽回的损失[4]。这就要求在进行民用多高层建筑钢结构设计中必须严格按照现行的规范和标准控制设计高度，若必须超过规范允许的高度，需要进行多方位的分析论证，并采用高质量、高性能材料，各构件之间的连接方式，以及连接效果需要严格选择和检查，以提升整体结构的稳定性和安全性。

3.3 连接构造设计问题

钢结构连接构造设计主要包括焊接连接和螺栓连接，由于螺栓连接的成本低、效率高，因此在高层建筑钢结构设计中应用广泛。但由于目前我国对螺栓连接的构造设计研究不够深入，因此在高层建筑钢结构设计中依然存在许多问题，导致钢结构的稳定性和耐久性受到影响。

3.3.1 螺栓连接的构造设计

由于高层建筑钢结构的施工难度较大，因此对螺栓连接的构造要求也比较高。尤其是在高层建筑中，螺栓连接主要用于梁和柱的焊接连接，如果安装过程中出现问题，将会对整个工程造成影响。因此，在进行高层建筑钢结构设计时必须要重视对螺栓连接构造设计的研究，螺栓连接通常采用T型、L型、Z型等形状的螺栓进行安装和焊接，如果这些形状的螺栓无法保证其稳定性和可靠性，则会对整个工程造成影响。因此必须要对其进行改进和优化。若采用了螺栓连接方式，在每个高强度螺栓的设计预拉力应满足表2中的规定：

表2 每个高强度螺栓的设计预拉力表（kN）

3.3.2 焊接连接的构造设计

目前我国高层建筑钢结构设计中应用最广泛的是焊接连接方法，但由于焊接技术还不够成熟、规范也不够完善等原因，使得钢结构在施工中经常出现一些问题。例如，在高层建筑中使用焊接方法时可能会出现一些安全隐患。此外，由于高层建筑钢结构施工难度较大，因此在施工过程中可能会出现一些问题，这就需要钢结构设计人员对其进行深入研究和分析。需要结合钢结构的特点，选择合适的焊接方式，常用的焊接方式有焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊以及先进的机器人自动化焊接。每种焊接方式都有其独特的应用范围和需要结合实际情况进行合理选择。选择好焊接方式后，就可以进行钢结构接头形式的选择，常见的钢结构结构形式包括对接、搭接、顶接三种，其中对接和搭接是最为常用的接头形式，施工技术也比较先进。顶接的难度比较大，因为在进行顶接施工中，焊缝接缝后的收缩，会引起节点钢板发生层间拉应力，若焊接的母材比较厚，需高度重视产生层间撕裂，若板厚超过40mm，除了需要加强对钢结构的保护之外，还需按照国家现行标准，选择合适的焊接材料，板厚方向的断面收缩率不应超过焊接材料标准Z15级规定的允许值，在钢结构民用建筑中容易发生层间撕裂的节点进行改造，并尽量选择屈服强度比较小的焊条。

3.4 防火设计问题

高层建筑钢结构的防火设计是保证其正常使用的前提，同时也是保证建筑安全的重要措施之一。而目前我国在高层建筑钢结构防火设计方面还存在一些问题，主要表现在以下几个方面：首先，防火分区设计不合理。高层建筑钢结构的防火分区设计主要包括以下几个方面：一是在防火分区内部需要设置防火墙，但是现在我国在这方面还存在一些问题[5]。比如，有些防火分区内部没有设置防火墙，甚至有些防火分区内部还有防火门等。二是对高层建筑钢结构进行耐火极限划分不合理，导致高层建筑钢结构无法正常使用。其次，设计不符合要求。比如，对钢结构进行耐火极限划分不合理，导致高层建筑在发生火灾时无法及时对其进行保护；另外，设计不符合规范要求也会导致高层建筑钢结构的防火设计不合理。比如，在对钢结构进行耐火极限划分时没有考虑到钢结构的特殊性，从而导致其耐火极限划分不合理。最后，防火分隔措施不合理。如：没有将防火涂料与金属构件相分隔；防火分区设置在钢结构构件内部；使用防火墙作为主要的分隔措施；未将防火材料设置在主要承重构件内部；未将钢结构与其他结构进行分隔等。这些都会对高层建筑的使用和安全造成一定影响。因此必须要对这方面进行加强重视。

3.5 钢结构抗震设计问题

抗震设计是高层建筑钢结构设计的重要内容，而钢结构抗震设计的主要目的就是为了保证高层建筑在地震中不会出现倒塌的情况。因此，在进行高层建筑钢结构抗震设计时，首先要保证高层建筑钢结构抗震设计的合理性，只有这样才能真正达到高层建筑钢结构抗震设计的目的。在进行高层建筑钢结构抗震设计时，首先要选择合理的地震波，这是非常重要的。只有选择合适的地震波，才能确保高层建筑在地震中不会出现倒塌的情况[6]。其次，在进行高层建筑钢结构抗震设计时，还要根据实际情况对不同地区进行科学合理的选择，从而确保高层建筑在地震中不会出现倒塌的情况。另外，还需要对高层建筑钢结构设计中所采用的材料进行科学合理地选择。例如，在进行钢结构抗震设计时，需要选择强度较高、质量较轻、容易加工和焊接的材料。

4 结束语

综上所述，结合理论实践，分析了民用多高层建筑钢结构设计中的常见问题，分析结果表明，在我国，随着经济的发展，高层建筑得到了飞速发展，在这一过程中，高层建筑的钢结构设计也受到了广泛关注。在对其进行分析时，不仅要对钢结构设计中的不足进行分析，还要对其存在的问题进行研究。只有这样才能促进我国高层建筑钢结构设计水平提升。同时，这也能为我国建筑行业的发展提供一定的帮助作用。