建筑设计中钢结构的优劣势与应用实践

张燕飞

随着经济的快速发展，现代钢结构建筑在我国的应用日益广泛，钢结构建筑得到快速发展并成为当代建筑造型艺术的时尚。由于在结构、质量、工期和环保等方面的优势，钢结构建筑被越来越多地应用到各类建筑中，其凭借独特的材料特性，已成为当代建筑的重要表现手段。

1.建筑设计中钢结构的优势

1.1 具有较强的韧性、可塑性

在建筑领域中，钢结构的可塑性、韧性较强。由于这两点优势，若建筑处于负载或超载的情况，钢结构可以实现对作用力的充分分配，使得整个建筑的应力变化幅度得到控制，极大程度地避免了钢结构断开、裂开等问题。

1.2 性能好、效益高

在材料、质地上，钢结构整体分布十分均匀，与力学方面的假定符合度较高。同时，在内部组织、结构上，钢材料与各项同性契合度更高，其材料波动范围相对较小，更是在所有建筑材料中具有最理想的弹性。再者，相较于其他建筑工程类型，钢结构不容易受到环境、气候等外界因素影响。在其生产加工上，由工厂内部完成加工作业后直接即可运送至建筑工地进行组装，这就决定了其具有更短的工期，且不会给施工区域的环境带来较大影响，符合文明施工、绿色施工需求。

1.3 造价成本低

在建筑设计领域，钢结构应用能够在保证整体安全性、可靠性的前提下，有效地控制成本投入，保证企业经济收益。与钢筋混凝土的应用相比，高层建筑中应用钢结构的成本消耗相对较低，且在质量上轻于钢筋混凝土，减少了运输费用。钢结构的便捷性会加快施工完成进度，能够减少人工、工期等方面带来的费用[1]。

2.钢结构应用的不足

2.1 质量控制存在问题

钢结构设计需要综合考量多方面内容，这就使得整体的设计费用较高，更需要大量人力资源的投入。同时，基于钢结构的建筑设计流程复杂性较大，完成度不高。部分参与设计的单位，由于缺乏经验，导致钢结构设计质量难以达到较高标准，影响了建筑行业市场。同时，我国建筑行业领域并未形成有关钢结构设计的法律、监督机制，给设计质量埋下了隐患。

2.2 设计方案存在不足

由于具有较高的设计成本，其设计与承包通常区分开来，这就导致钢结构设计缺乏一定深度，部分设计的实施难以达到原有设计要求，尤其是柱脚设计上容易出现失误。常见的三种柱脚类型有外包式、外露式、埋入式，外露式常应用于民宅设计方面。柱脚的刚度主要受到底板的塑性、弹性因素影响，地板变形也会使得钢结构出现形变，这就需要设计人员综合考量，避免柱脚点被破坏，导致建筑结构整体出现问题。

2.3 钢结构受火安全性、稳定性不足

在钢结构住宅出现火灾时，受到烟气和火焰的热作用，钢结构会迅速升温，在升温过程中会产生温度荷载。在钢结构受到外力荷载、温度荷载的共同作用时，容易出现结构变形、位移，严重时会出现坍塌，最终导致整体钢结构安全性不足[2]。

3.钢结构工业建筑设计方法

工业建筑是为工业生产服务的房屋，也可以称为厂房。在小型钢结构工业建筑中，设计师需要从工业属性出发，根据功能要求，选用架构空间骨架、平面形状，打造出既大方又美观的建筑风格。

3.1 功能空间设计

出于工业服务原因，工业厂房往往具备多元化的工业属性。所以，工业建筑设计，要将基本的工业功能放在首位。例如，部分工业建筑需要配备良好的光照设施，这时就可以在屋盖结构增加采光口、采光带，也可以将下沉天窗设置在有桁架的上下弦杆件之间，借助桁架端部的收束，创造进光口条件。对于组合式建筑，可以通过调整配置、灵活组合，设计高侧窗。

3.2 空间结构体系设计

3.2.1 门式刚架体系

在门式刚架建筑体系中，建筑骨架由多种钢结构构件组成。相较于其他轻型钢结构建筑体系，这一结构更适用于工业化生产。在拆除建筑房屋后，可以实现资源的重复利用（利用率超过90%），能够满足中小跨度仓库、工业厂房的建筑需求。

3.2.2 格构刚架体系

在格构刚架结构体系中，轻质杆件体系是建筑骨架的主要构成部分，整体十分轻盈且通透，复合夹芯金属板、幕墙均可以用作围护，格构式刚架是其主刚架，刚架采用梁柱刚接，是一种二维体系。存在差异的地方是基本梁柱部分，具有单元格构化特征，常常采用三角形格构刚架。在纵向上，交接的简支梁可以连接刚架，为提高整体刚度，可以增加支撑。不同于门式刚架体系，这一结构体系使用格构型刚架，结构的荷载能力得到增强，所以支撑体系可以取消。

3.2.3 屋架体系

屋架体系起承担屋盖荷载的作用，其骨架是屋盖系统，其承担的荷载来自垂直和水平方向，前者包括覆盖面荷载，后者包括地震、风荷载，所以刚度是设计中考虑的要点。在屋架系统的构成上，需要连续组合多个细小的杆件，这些杆件的轴力负责承担屋盖的荷载，增加横向的建筑跨度，十分契合工业建筑的要求。屋架系统的构成，要使用结构化的杆件体系，再连接下部的受压柱子进行荷载传递。通过纵向的排列布置，由线及面，展示屋盖下拥有大量使用空间。

3.3 空间分隔设计

在工业厂房建筑中，内部空间的设计，要保证大且通畅。一般情况下，采用柱子进行内部空间分隔。对于中间的大跨部分，适合作为作业空间，也是厂房的主要使用空间，两侧设计的附属空间，可以承担次要建筑功能、交通功能。

3.3.1 墙体虚实对比

格构式刚架的使用同时注重美学表达和结构逻辑。所以，既能用作内部的建筑围护，也可以外露展现构造节点。

3.3.2 高窗的光线引入

侧高窗的设计能够使工业厂房拥有良好的通风条件，使内部建筑空间更具艺术效果。建筑师可以灵活选取处理方式，对建筑细部进行设计，以增加建筑的透明性，在人造光线、结构的组合下，建筑物内外将更具美感。高窗引入光线的模式有四种：

（1）光线通道，比如通过屋顶三角形桁架，光线可以进入室内；

（2）通过减少结构的阴影，保证光线最大化；

（3）通过模糊、反射改变光线条件；

（4）通过改变光线增强结构感知。

3.4 表现结构设计

在经过格构化处理后，门式刚架体系可以形成格构刚架，其主要结构形式是杆件体系，既能节约材料、减轻重量，其强度、刚度也极强，还具有一定美学欣赏价值。在格构式刚架中，拉杆、压杆是承受轴力的基本单元，它们的截面尺寸要小于长度。与实腹式梁柱体系相比，杆件结构体系的限定空间不足，所以一般用于内外的空间结构构架，要实现建筑内外空间的连续则需要搭配玻璃幕墙。在表露结构构件上，常使用格构式体系，其汇集了结构美学与构造美学的优点，能反映空间建构。螺栓连接、焊接是细长杆件间的主要连接方式。例如，在阿姆斯特丹的某工业建筑设计中，建筑师Berthem Crouwel 将横向支撑与格构化的刚架系统进行结合，形成了建筑的界面，通过在过渡部位增加支撑，使用外附围护进行掩盖，将结构建筑的艺术性展现得淋漓尽致[3]。

3.5 细部节点表达

在钢构架的组成上，外露节点构造设计占据着重要部分，其主要起到装饰和表现的效果。所以，在钢结构设计中，设计师要认真地思考装饰设计问题。在钢结构的发展进程中，节点的表现力往往需要精心地设计和处理，这样才能使建筑设计具有较强的艺术表现力。一般情况下，通过材料、构造、技术等手段，可以实现装饰效果。比如，在阿姆斯特丹的某工业建筑中，在各个框架上，设计了预制三角形格梁、三个焊接，螺栓被运用在边角上，在连接材料上，主要运用带有焊接、承压板的三角形连接板。对于各个独立的大梁框架，使用位于屋檐高度上的钢管进行连接，相互连接的钢管具有相同的节点。从整体上看，逻辑建构体现在各个框架的格构化杆件上，再加上纵向钢管的节点联系，使得各个节点的细部表现得更加精美。在钢构设计中，细部节点设计和处理是关键，节点的精致程度，体现了技术发展程度，更丰富了钢结构的空间表现形式。

小型钢结构工业建筑的设计，要利用好构件本身的细部节点，以精致的设计呈现技术美感，主要的构造节点有螺栓、钢索、销子、拉杆等，形成一个紧密贴合的整体，能够使空间给人强烈的感官刺激。

4.结束语

综上所述，钢结构的应用得到了越来越多企业的青睐，这就需要加强钢结构设计的研究，确保各方面设计的安全性、合理性和可靠性。本文在分析钢结构优劣的基础上，提出了相关的应用和加强应用举措，旨在引起相关技术人员和从业者的关注。相关人员应不断加强对钢结构设计的研究，在具体设计中进行创新和完善，为建筑行业持续健康发展贡献力量。