钢结构深化设计注意事项分析

张文杰

（甘肃第四建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 730060）

1 引言

近年来，随着建筑工程项目的日渐增多，建筑工程安全管理问题频出，全国各地工程质量安全问题相继出现也给建筑结构设计敲响了警钟。为提高建筑结构设计的安全和稳定性，建筑行业也经历了多次技术革新，从原来的砖墙结构到普遍适用的钢筋混凝土结构，再到现在日益盛行的钢结构，建筑体的结构设计形式在不断改进。钢结构设计是近年来逐渐发展起来的新技术，帮助建筑施工行业向节约化、轻量化转变。目前，大量高新建筑主结构体已经青睐于向钢结构形式转变，其中最为典型的代表莫过于北京鸟巢奥林匹克体育场馆，采用纯钢结构的搭接形式，设计新颖、结构独特，不仅美观，具有很强的艺术性，而且简约，节约了大量的混凝土建材，对周边环境也十分友好，成为建筑行业钢结构设计的标杆。然后，钢结构设计看似简单，实际上需要经过构思、分析、计算等多方面的深化设计，以确保钢结构的安全稳定。在钢结构深化设计中，设计人员必须掌握钢结构的安全设计原则，重点考虑钢结构构件的选型、钢结构的连接形式、钢结构搭接时的力学计算和有限元分析等关键点问题，避免出现钢结构失稳或结构强度不够等质量缺陷。鉴于此，文章针对钢结构深化设计中的注意事项和重点问题进行分析，并提出了解决和处理问题的策略思路，以确保钢结构设计的质量安全。

2 钢结构深化设计中的问题分析

2.1 设计人员专业能力较低，技术管理相对较弱

钢结构深化设计需要重点关注设计方面的问题，首当其冲的是设计人员自身的专业能力和技术管理问题。一方面，钢结构深化设计需要设计人员具有很强的专业素养，同时还应具备极高的综合能力，但目前，我国建筑行业从业人员，结构设计技术人员专业能力相对不高，针对钢结构设计问题不仅缺乏相应的设计经验，而且在整个钢结构设计周期的管理中也存在管理漏洞，此外，大部分的钢结构从业人员仅仅懂得结构设计，对钢结构的力学计算和有限元分析并不专业，而钢结构的力学分析计算是确保钢结构深化设计质量安全的关键环节，如果缺少了理论计算和分析依据，很容易导致钢结构设计图纸存在一定的错误和不合理之处，从而影响钢结构的安全稳定；另一方面，钢结构深化设计缺乏技术管理，这体现了设计部门对钢结构深化设计不够重视，在对设计图纸的校对、审核、批准等一系列设计流程中，存在技术管理不足或部分流程缺失的情况，钢结构深化设计图纸需要经过技术讨论、方案确定、验算校核、细化设计、设计审核、审批等一系列过程，任何一个环节的缺失都会影响钢结构设计图纸的质量，而技术管理上的不够重视，也无形中助长了图纸设计缺陷问题的发生。

2.2 钢结构设计缺乏依据，理论计算和分析不足

钢结构深化设计中需要遵循一定的设计原则、理论计算和建模分析等，只有经过理论计算和分析合格以后，才能进一步提升结构设计安全系数，确保钢结构设计的安全。但是实际设计中，一些设计人员照搬照抄其他类似项目的图纸，忽视了钢结构设计上的原则性问题，缺少正确的理论计算和建模分析，从而导致设计图纸存在错误或不合理之处。首先，我国建筑结构设计规范中规定了钢结构设计的一些设计标准，部分钢结构设计人员经常依据设计经验而轻视设计规范，导致钢结构设计偏离了相关设计规范标准，虽然依据设计经验并不会带来多大的问题，但是其中隐藏的安全风险也不容忽视；其次，设计人员缺乏理论计算和利用有限元分析软件建模分析的能力，导致对深化设计形式缺乏理论计算和建模分析的校核，理论力学、材料力学计算是钢结构安全设计的重点理论基础，缺少理论基础的支撑，设计图纸的正确性无法保证，而有限元分析计算可以模拟振动、冲击等更多特殊条件下的受力情况，对钢结构设计分析更加严谨深入，缺少有限元建模分析，钢结构设计的安全系数不明确，同样不能保证设计图纸的安全性。此外，在进行理论计算和建模分析时，一定要选择正确的计算公式，输入正确的边界条件，否则将会得出错误的计算结果，根据错误的计算结果作为设计依据，必然存在很大的安全风险，因此，计算过程必须认真、严谨，计算结果必须准确、可靠。

2.3 钢结构的型材选型问题，截面参数估算偏差

钢结构由大量的型钢组成，因此，对钢结构的型材选型和截面估算上也是钢结构深化设计中的重点内容，目前存在的主要问题在于钢结构型材选型不准确、截面参数估算偏差过大等。一方面，钢结构型材选型上，市面上有槽钢、H型钢等不同的钢材类型，设计人员在进行钢结构深化设计时，如果没有依据建筑项目实际结构需求和计算结果选择合适的钢材类型，不仅会影响钢结构的连接点的设计，而且也会影响钢结构的力学性能，而且对钢材选型不严谨，也会导致钢材的浪费，因为槽钢、H型钢间的力学性能不同、结构差异也大、造价成本也有差别，因此，如果钢材选型上没有充分考虑到位，既会影响钢结构的质量安全，同时也会影响工程造价的成本；另一方面，钢材结构布置和连接点形式的设计与钢材截面形式息息相关，因此，在钢结构深化设计中如果缺乏对钢材截面参数的正确估算，也会影响钢结构支撑和连接的安全和稳固性，钢结构截面的估算与不同型钢的截面尺寸有关，截面估算还包含了对构件梁柱和支撑面的选型、截面高度、板材厚度以及支座载荷情况等，如果这些关键点参数不明确或选型存在严重误差，对钢结构的质量安全影响很大，建筑结构也将存在严重的安全风险。

3 钢结构深化设计中的关键技术点分析

3.1 钢结构的设计选型

钢结构深化设计中，针对钢结构的设计选型问题极为关键，不仅影响到后续设计的配合性和结构力学性能的稳定性，同时也影响到建筑企业的经济效益。首先，针对钢结构的经济性考虑上，由于建筑体中用到大量的钢结构，其中工程造价成本影响很大，而设计中所需的钢材类型、截面尺寸、布置形式等影响到钢材的价格以及用材的数量，这些都是影响建筑企业工程造价成本的关键，因此，建筑企业在前期钢结构深化设计阶段，必须综合考虑钢结构的设计选型问题，在满足钢结构力学性能和质量安全前提下，应选择造价经济的钢材类型，同时，要正确计算用钢量，通过优化结构设计、改进结构形式，从而尽可能地降低用钢量，节约造价成本；其次，钢结构的布置设计上，应考虑跨度形式、悬挂载荷、经济性等多方面因素，在布置设计上多下功夫，是控制钢结构质量安全的必要条件，也是节约工程造价成本的关键。为此，钢结构布置设计的力学模型要清晰，建模准确，边界条件应考虑全面，特别是针对抗震、抗剪、抗弯等极限工况载荷的力学模型验算，一定要准确计算，满足钢结构设计的安全系数要求，此外，钢结构梁的设计和布置，应考虑主梁、次梁等一系列钢结构的布置位置，特别是针对框架结构的楼层平面控制上，应控制好楼层净高，同时也要考虑顶层边柱等钢结构的受力条件，避免出现承载能力不足的情况而埋下安全隐患。

3.2 钢结构的截面估算

钢结构的截面形式和估算面积影响到整体结构的安全稳固，因此，钢结构截面估算也是钢结构深化设计中必须关注的关键点之一。钢结构截面的大小不仅影响到用钢量的大小，同时也影响到钢结构的连接形式和力学安全性能，为此，必须正确估算钢结构截面积，正确选择合适的型钢类型。首先，钢结构中不同的型钢类型其截面形式不一样，如槽钢、轧钢、H型钢等，深化设计时应根据钢结构承受载荷能力及支座连接要求合理选择钢结构的截面类型，从而确定选取钢材的类型，其中，需要注意的一些关键参数应计算准确，如钢结构所需截面的高度、宽度以及翼缘厚度等，保证钢结构截面的承载能力；其次，计算钢结构截面时，针对梁柱形式的钢结构截面可以采用长细比的估算形式，柱截面选型上，有一定的设计要求，通常会根据截面轴心受压、双向受弯矩或单向受弯等不同的受力条件，选择钢管、H型钢等相应的截面类型，从而根据计算的用钢量，估算所需的截面大小；再次，在钢结构深化设计中，针对钢结构截面选型的要求上并没有固定的形式，结构设计人员应根据实际受力情况，具体问题具体分析，合理选取承载性能好、经济性高的钢材类型，在确保钢结构质量安全的前提下，也要重视造价成本的节约。

3.3 钢结构的节点设计

钢结构由大量的型钢连接而成，因此，钢结构的节点设计也是影响钢结构连接质量安全的一大重要技术因素。钢结构节点设计形式上，可根据不同种类的钢结构形式选取，设计中应考虑连接强度、连接可操作性等多方面因素，确保节点连接安全可靠。首先，焊接是钢结构节点连接中最为常见的一种形式，针对焊接设计要求，应合理选取焊接形式，一定要在图纸中按焊接规范要求标注好焊接符号，保证焊接质量，同时，应在技术要求中明确焊缝质量，考虑焊缝的重心位置尽量与构件重心接近，并要求做好焊缝的无损检测，保证焊缝质量，提高焊接可靠性；其次，针对钢结构连接板之间的节点设计，需准确计算选取连接板的厚度，根据设计规范要求，连接板厚度比梁覆板厚度至少大于4 mm以上，可在确定梁覆板厚度尺寸以后，确定连接板的厚度，同时，根据确定的厚度，运用有限元分析软件，验算连接板净截面的抗剪性能是否合格达标，如不达标，可增大净截面积或者适当提高连接板厚度等，保证连接板的力学性能；再次，如在钢结构中采用螺栓连接形式，应确定连接螺栓数量，并验算连接螺栓孔净截面的抗剪能力，同时，选择高强度的连接螺栓，并验算连接螺栓的承压和抗剪能力，保证连接螺栓的可靠性。

4 提升钢结构深化设计质量的策略分析

4.1 提高钢结构设计人员的专业能力和综合素质

钢结构深化设计十分考验设计人员的专业能力和综合素质，为此，设计单位必须加强设计人员技术能力的提升，并通过强化技术管理，提高设计人员的综合素质，保证钢结构设计图纸质量。为此，首先，必须严格选拔钢结构设计人员，根据学历条件、专业水平、从业经验、业绩要求等选拔优秀的设计人员，提升设计团队的专业水平；其次，加强设计人员的日常考核和技术培训，技术水平考虑依据设计任务量、设计错误率、图纸返工率等作为考核条件，采取优胜劣汰或绩效评级的方式，同时，定期进行设计经验交流或技术培训，提高设计人员的专业水平；再次。设计部门必须重视钢结构图纸设计的技术管理工作，严格要求设计质量，认真做好设计校对、审核、审批等不同流程的任务要求，特别是针对图纸审核，一定要认真、负责，发现错误立即要求更改，提高图纸设计质量。

4.2 合理运用分析软件及计算理论验算力学性能

钢结构深化设计中，为保证钢结构设计合理和力学结构的安全可靠性，通常需要利用有限元分析软件以及普遍适用的力学计算模型进行理论验算，达到一定安全系数的前提下再考虑设计形式的适用及合理性。首先，钢结构力学性能分析软件中，常用的如ANSYS有限元分析软件，必须要求结构设计人员熟练掌握有限元分析软件的操作，根据设计图纸正确建立力学模型，根据实际工况条件正确输入边界条件，提高有限元分析的准确性；其次，合理选用钢结构设计中普遍适用的力学计算公式、理论结果等，如材料力学、梁——柱理论、预张拉结构理论等，保证钢结构力学设计遵循正确的理论基础，并通过这些科学、完善、合理的理论体系验算，进一步验证图纸设计的可靠性，从而提高钢结构设计的质量安全。

4.3 综合考虑不同因素对钢结构质量安全的影响

在钢结构深化设计中，应综合考虑不同的因素可能对钢结构力学性能和质量安全带来的影响，尽量减少不同因素带来的安全风险。为此，首先，钢结构设计方案确定上，要认真做好前期的研究工作，分析工程条件和不同的影响因素，合理设计钢结构形式，对设计方案进行反复分析、验算、校核，并不断优化改进设计方案，以确定设计方案的可靠性；其次，在针对钢结构设计验算时，应充分考虑钢结构受力的极端条件，如遇地震、台风等极端天气下钢结构的承载能力，严格按照钢结构抗震等级进行安全验算，充分考虑钢结构的承压能力和不均匀负载条件的承受能力，通过必要的加固措施或优化设计结构形式，提高钢结构的抗震、抗剪、抗压等力学能力，以达到安全稳固的设计条件。

5 结束语

钢结构设计是近年来逐渐发展起来的新技术，帮助建筑施工行业向节约化、轻量化转变。为此，在钢结构深化设计中，设计人员必须掌握钢结构的安全设计原则，重点考虑钢结构构件的选型、钢结构的连接形式、钢结构搭接时的力学计算和有限元分析等关键点问题，避免出现钢结构失稳或结构强度不够等质量缺陷。