浅谈建筑钢结构设计方法及设计要点

李伟男

摘要：当前钢结构应用越来越普遍，以它强大优势占据着建筑领域相当大的比例。与混凝土相比，它有自重轻、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的优点。本文从建筑钢结构的设计过程、设计方法、稳定性设计、设计要点这几方面进行了阐述，以供参考。

关键词：建筑钢结构；设计方法；设计要点

钢结构具有空间跨度大、结构性能突出、施工快、安装便利等优势。建筑钢结构的设计过程中，要对其优势有所了解，并对设计中需注意的问题有明确的认识，才能设计出合格的结构，从而在建筑运用中取得更好的效益。

一、建筑钢结构的设计过程

1、钢结构设计图和钢结构施工详图的区别。

我国钢结构施工图纸的设计分为2个阶段：钢结构设计图和钢结构施工详图。钢结构设计图是在结构计算的基础上，对结构体系、整体布置和节点连接方式进行的整体描述，钢结构施工详图设计是在设计图的基础上对结构进行的二次设计，这也是钢结构施工详图与混凝土的施工图纸实质性的区别。钢结构施工详图设计必须以钢结构设计图纸为依据，结合工程概况、钢结构加工、运输和安装等施工工艺和其他专业的配合进行。其主要内容有：使用计算机放样制图或使用详图软件建立结构空间实体模型制图，提供制造加工和安装的施工详图、构件清单及设计说明。

2、钢结构设计的具体步骤及计算工具。

进行结构设计时首先需要判断结构是否适合采用钢结构，一般说来，钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、要求能活动或经常装拆的结构。然后，根据不同结构形式的特点进行结构选型，根据建筑要求进行结构布置。国内在进行钢结构设计时一般采用建研院的PKPM软件中的STS模块或同济大学的3D3S软件，但随着时代发展，越来越多的设计软件投入到工程设计中，如Midas、Ansys、Sap2000、盈建科等，为今后的结构设计复核提供了越来越多的选择。

3、钢结构详图设计的具体步骤及详图绘制工具。

首先在做详图之前，我们需了解钢结构的组成部分、构件的加工顺序、焊缝的表示方法等。在此基础上进行二次深化设计，深化设计的一般步骤如下：①熟悉钢结构设计图；②与相关专业沟通；③建模型及绘制详图。详图设计一般采用CAD或TEKLA软件建模。

4、不同软件之间的优劣对比

钢结构设计时，设计师们多选择PKPM及3D3S的原因在于其对国内规范理解更深刻，出图更符合国人习惯。但多年来软件更新速度较慢，操作界面不友好和计算过程不透明等詬病给设计师们也造成了困扰。如今设计软件众多，设计师们应该丰富自己掌握的计算软件种类，了解其特点，如Midas的快速前处理、Ansys及Spa2000的强大计算功能、盈建科的丰富数据接口等，选择合适的计算软件进行计算及复核。

钢结构施工详图设计时，Auto CAD其强大的图形编辑功能，可以用于零件放样和材料表绘制，但其最大的缺点是不能方便的建立3D模型，从而出现一些不必要的错误，导致安装困难。而TEKLA和PKPM（STXT）可以直观地观察到3D模型，也能自动生成2D加工详图，提供完整的2D图画编辑功能及构件碰撞校核功能，但其生成的图纸标注不够清晰，不适于车间工人快速识图，所以调图的时间很多。一般小项目采用三种方法均可，但对于大型的复杂项目，鉴于TEKLA出错率低，多采用TEKLA进行深化设计。

二、建筑钢结构设计方法

1、塑性设计法。采用塑性设计原则是指结构构件的塑性性质和强度要高于标准荷载乘以安全系数，在构件内力结构分析中一般采用钢塑性分析法或是一阶塑性分析法。塑性设计法的主要优点在于结构进入塑性后允许进行内力的重分布，但必须要求其构件和结构能有足够的延性，在设计中严格的限制了翼缘和截面腹板的比例尺寸。塑性设计法虽然考虑到了非线性，但是在结构设计中依然不能反映出结构构件与材料屈服的扩展。

2、容许应力法。容许应力的设计原则是：其结构计算应力应小于结构构件设计所规定的容许应力。结构构件的计算应力按荷载标准值以线性弹性理论计算；容许应力由规定的材料弹性极限（或极限强度）除以大于1的单一安全系数而得。容许应力主要存在的缺点在于：第一，不能合理的考虑到结构几何的非线性影响；第二，由于容许应力法采用的是单一安全系数，不能反映出荷载变异和抗力的独立性等，结果较为保守。

3、极限状态法。极限状态法是为了克服塑性设计法和容许应力法所存在的缺陷而提出的，这种方法主要是采用荷载分项系数和抗力来替代单一安全系数。目前，极限状态法以是我国最常用的设计方法。其结构由于荷载的作用，可在一定的周期内达到两种极限状态，第一种是承载能力极限状态，第二种是正常使用极限状态。承载能力极限状态所对应的是结构的安全性，主要是指构件的塑性变形、断裂等造成的结构破坏。正常使用极限状态所对应的是结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态。

三、建筑钢结构的稳定性设计

在设计钢结构的过程中，需遵循其结构的设计原则，保证钢结构的安全可靠，从而有足够的强度、刚度和稳定性。在了解钢结构的设计原则时，首先要区别强度和稳定，强度关键取决于材料特征，对于脆性材料都要取最大强度，如混凝土；对于钢材则取屈服点，而稳定在解决强度问题时，需找出其不稳定的平衡状态，这种不稳定状态存在于内部抵抗力与外部荷载之间，也是变形快速增长的开始点，通过这样区分，可以指导强度问题最主要就是一个变形问题。

建筑钢结构设计稳定性特点首先分为结构整体稳定和局部稳定两方面。其次，从钢结构的整体刚度和失稳方面来看，应采用现行规范的折减系数法和临界压力求解法来进行稳定计算，对于轴心压杆的稳定计算通常用这两种方法。再次，在弹性稳定计算的过程中，不止考虑结构整体性特点，还应考虑二阶分析，这主要是由于结构内力会受到柔性构件大变形的影响。

四、建筑钢结构的设计要点

1、加强对钢结构受力体系以及细部节点的设计。首先，针对钢结构受力体系设计而言，要确保结构体系的传力途径简单，破坏机制明确，保证强柱弱梁和强节点弱构件的构造要求。其次，钢结构建筑的设计要求细致且设计内容复杂，都需要对细部节点进行严格的控制。

2、钢材的选择。对于钢结构设计来说，选材是一项极为重要且难度较大的工作。究其原因，一方面是我国钢铁工业迅速发展，钢材的种类繁多，要从众多的钢材种类中选出适合某种建筑工程的钢材是有难度的；另一方面是因为目前钢结构建筑的种类也在不断增加，不同建筑物对钢结构的强度、变形度、疲劳应力等方面的要求也不一致，因此选择合适的钢材显得至关重要，否则就不能充分发挥出钢结构建筑的功用。

3、判断钢结构的适用性。现今建筑行业中，钢结构多是用于跨度和荷载较大、体型复杂的建筑中。要求其能够承受较高的温度、方便拆卸、能够承受大幅度的振动、密封严实，因此在钢结构设计之前必须要对这些方面进行全面的分析，考虑所设计的钢结构是否适用、能否满足要求。

五、结束语

钢结构设计拥有众多的优势和利于人们可持续发展的状态。随着科学的进步，时代的发展和人们的生活态度、习性的改变，越来越多的钢结构建筑将会从观赏性建筑走向人们的生活区间。在不久的未来，钢结构设计势必将成为未来建筑的主流。

参考文献

[1] 郑玉峰. 钢结构稳定性设计探析[J]. 科技资讯. 2011（08）：93-94.

[2] 常凤杰. 钢结构设计简单步骤与设计思路[J]. 黑龙江科技信息. 2011（02）：22.