多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计研究

马韶霞

摘 要：文章分析了风景园林绿化工程项目管理中存在的主要问题，提出现场施工管理要点和注意事项，以期为相关人员提供参考。

关键词：多层钢结构模块;钢框架复合结构;建筑结构设计

中图分类号：TU318                               文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2022）03-0049-03

0 引言

加拿大的 C.D.Annan介绍了钢结构模块建筑的特点和建造过程，提出一种典型的钢框架模块结构体系，对地板结构进行了设计和有限元分析，结果显示考虑到半刚性焊接连接导致模块结构受力将不同于传统结构体系，针对模块建筑的受力特点，提出了合理的计算方式。西南交通大学的胡骁，针对一栋拟建的钢结构模块化结构，提出了一种模块化建筑设计思路与施工方法。基于刚接与铰接模型，对模块结构进行了抗震性能分析，得出了模块建筑具有较好的抗震性能。当前关于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构不够深入，为此需要加强对该领域的深入研究。

1建筑多层钢结构模块与钢框架复合结构设计要点分析

多层钢结构模块在现代建筑工程中的应用日益广泛，但是传统设计模式中存在着一定的问题，难以有效解决钢结构与整体结构存在的矛盾问题，所以必须准确掌握设计关键要点，才能够全面提高钢结构设计方案质量。

1.1 钢结构节点设计

在建筑钢结构设计中，节点设计是影响钢结构设计方案能够顺利实施的主要因素。在常规的建筑结构中，需要从传力特点的角度进行确定。钢结构节点主要可以分为半刚接、刚接以及铰接等多种不同类型，每一种连接类型都有着不同的使用场景，需要根据高层建筑的实际设计需求加以确定，确保钢结构的节点连接方式能够满足高层建筑的传力需求。在对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计中，设计人员需要充分考虑到焊接、栓接、梁腹板、连接板等不同内容的设计。钢模块设计需要考虑到钢模块焊接的焊接缝形式和焊接面的尺寸，保证焊接连接的紧固程度。在栓接过程中，需要考虑高强螺栓直径、连接板、摩擦面等因素;在梁腹板中，需要对栓孔位置的腹板抗剪净截面进行计算，还需要计算高强度承压型螺栓的承压能力，保证其能够达到质量要求，从而能够避免钢框架结构出现质量问题;在连接板设计中，需要根据梁腹板的计算增加连接板的厚度，从而提高钢框架结构节点设计的科学性[1]。

1.2 钢结构质量标准规定

钢结构的质量要求较高，因此施工单位要根据建筑结构的设计方案，制定严格钢结构质量标准规范，且需要对每一处钢结构施工环节进行严格的质量检测，保证结构质量能够满足国家要求和设计方案规定。建筑工程施工中所需要的钢材类型多种多样，每一种钢材类型在承重能力、强度等方面有着很大的差异，因此施工单位需要按照实际高层建筑设计需求，确保能够达到国家标准要求，并加强钢结构施工的管理，避免钢结构设计不合理引起质量问题[2]。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计能够对建筑整体质量产生直接影响，所以在设计过程中需要加强对设计方案的测试，利用现代化信息技术对钢结构设计具体参数进行验证，能够有效提升结构设计方案整体质量。

1.3 建筑钢结构选型与布置

建筑钢结构体系设计需要从钢结构的角度进行分析，设计人员需要充分考虑到现代建筑工程对于多种不同钢结构选型对高层建筑整体质量和经济性的影响，按照建筑结构的基本形式，在设计过程中考虑到负载能力要求、施工条件要求、制作安装要求等多项不同的要求，选择强度、抗震能力都能够达到标准的钢结构类型，并对钢结构的施工位置进行科学的划分。通过采用计算模型等方式可保证钢结构设计方案科学性，能够提高钢结构各项参数设计准确性，避免出现钢结构尺寸、拆分位置不科学、不正确的问题，从而降低施工成本，是提高建筑工程经济效益的有效方式[3]。

2工程概况

本文以H市某工业园区新建的一座办公楼工程为例，该办公楼总建筑面积为3150 ㎡，建筑高度为4层，第一层高度为4.5 m，标准层高度为3.4 m，办公楼采用钢结构模块和钢框架复合结构体系。钢结构模块尺寸设计：模块单元的宽度一般为2～3 m，高度为3～4 m;地面建筑采用钢材为Q235B钢，模块单元梁截面为口 80 mm×50 mm×5 mm，柱截面为口 100 mm×60 mm×10 mm。地上建筑采用矩形钢管和H型钢梁。

在本次工程建筑中，多层钢结构模块和钢框架复合结构设计具有重要的意义，所以需要加强整体结构设计与优化。如果设计方案存在問题，则会导致钢结构整体承载力受到很大影响，使钢结构的承载力、稳定性等多个方面出现问题。因此，必须提升多层钢结构模块和钢框架复合结构设计质量，以此来提升建筑施工科学性，确保本次工程钢结构质量能够达到设计要求。经过设计人员的科学论证，采用现代化信息技术对钢结构进行建模分析，在模型中准确展现出钢结构各节点的受力情况，可使整体设计方案更加清晰，能够为后续施工建设提供更加完善的设计资料和数据，是提高本次建筑工程钢结构设计质量的重要方式。

3园区结构体系规划

建筑工程必须采用科学的结构体系，才能够保证建筑质量和结构效果，所以需要充分考察建筑工程所在区域的实际情况，保证所选择的结构体系能够符合实际需要，从而避免建筑结构体系出现不科学、不合理以及不规范的问题。在对本次工程整体园区结构体系进行规划时，因为建筑所需要的多层钢结构模块必须在工厂内完成加工制作，在加工完成后运输到施工现场，为此需要提前计算多层钢结构模块的尺寸等参数，从而确保钢结构模块能够顺利在施工现场进行安装。本次建筑工程中结构宽度超过3 m，高度在4.5 m之内，在对多层钢结构模块尺寸进行设计时，需要充分考虑到所有影响因素。框架结构在建筑中的表现形式一般为钢框架结构，主要构成包括承重梁、承重柱通过节点所组成，框架结构具有应用灵活、布置便利的特点，可以根据室内空间的具体布置需求进行相应的调整，钢框架结构的梁、柱等面积较小，能够减少施工成本投入。

3.1 钢结构模块尺寸设计分析

钢结构模块尺寸设计是本次工程设计的基础内容，在设计过程中需要充分考虑到钢结构模块尺寸大小对于结构的影响，按照建筑工程的实际需求对其进行设计与优化。首先，必须全面分析钢结构模块的承载负荷，如果钢结构模块尺寸较大，所承受的符合就会相应降低，反之如果钢结构模块尺寸较小，那么需要投入的钢结构模块数量则会增加，不利于控制成本预算。其次，需要充分考虑到钢结构模块尺寸大小对于运输的要求，确保钢结构模块尺寸符合运输实际需求，从而才能够保证钢结构模块尺寸设计科学性。

3.2 钢结构框架设计方案分析

根据本次工程的实际情况来看，办公楼的一层高度相比于其他普通楼层高度更高，所以本次工程中钢结构框架设计同時采用两种不同的设计方案。由于第一层楼层高度较高，需要承受的荷载与其他楼层不屠龙，所以在对钢结构框架进行设计时，采用H型钢梁和矩形钢管柱相结合的设计方案，确保每个钢结构模块都能够良好结合，是保障本次工程设计质量的重要方式。

3.3 构件设计分析

构件设计能够直接影响钢框架复合结构体系质量，所以为了保证工程质量，必须做好构件设计工作，结合多层钢结构模块和钢框架复合结构的实际情况，提高构件设计能力，避免在施工后期出现变更问题。在本次工程中，办公楼所采用的钢材为Q235钢，建筑抗震等级设计为2级。

4建筑钢结构设计模型计算

为了全面提高本次建筑工程钢结构质量，提高钢结构稳定性、承载力以及抗震能力，必须对其结构参数进行科学的计算，确保参数计算参数准确性，如果发现结构参数存在不符合国家要求规定的问题，需要结合实际情况对结构参数进行优化，以提高建筑工程钢结构设计质量。

4.1 结构参数计算

按照国家要求规定以及现场数据和资料对钢结构进行设计，通过建立计算模型进行分析，通过计算模型能够提高钢结构设计参数准确性，能够验证钢结构设计参数是否能够满足要求。

4.2 节点简化和简化合理性分析

通过采用模型分析方法，得到如下数据：最大荷载约为85 kN，相应的最大位移约为134.2 mm，简化模型的最大荷载约为76 kN，相应的最大位移约为114.2 mm，二者差异较小。经过简化后的模型各项参数能够满足本次工程建设实际要求，将模型节点优化与实际情况进行对比分析，从而能够确定最佳的施工技术方案。

4.3 模型构建

为了得到科学准确的模型，   本次工程采用 Midas 软  件进行建模，   模型主要包括梁体和柱体单元。下图为构建完成的整体模型图。

外墙及内墙均采用石膏板加岩棉的做法，根据计算外墙荷载为4.0 kN/m，内墙荷载为3.3 kN/m;二层楼板采用压型钢板混凝土组合楼板，厚度为 100 mm，荷载为2.8 kN/m2，三层楼板采用轻钢龙骨木地板的轻质楼板，荷载为1 kN/m;楼梯恒荷载为3 kN/m2，电梯恒荷载为5 kN/m2，采光天窗恒荷载为0.6 kN/m2;法屋面吊顶活荷载为1.0 kN/m2;不上人屋面活荷载为0.5 kN/m2;走廊活荷载为2.5 kN/m2;楼梯活荷载为3.5 kN/m2;机房设备活荷载为7.0 kN/m2;办公区域活荷载为2.0 kN/m2;电梯活荷载为7.0 kN/m2。

通过采用有限元模型构建以及仿真分析的方式，本次工程中钢结构模块以及钢框架结构设计参数更加准确，从而为后续的具体优化提供科学的指导。

4.4 钢结构设计方案验证

为了确保本次建筑工程钢结构设计方案科学性，在设计方案完成后对其进行充分检测，主要检测内容包括：（1）采用随机抽取该办公楼建筑钢框架钢材样本的检测方式，对钢材料的拉伸性能、冷弯性能、材料主要元素含量进行检测，检测结果需符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》中Q345B规定的要求。（2）该办公楼建筑钢框架结构中1层钢柱为等截面钢管柱，2、3以及4层大部分钢管柱为不等直径钢管柱，焊接方式为点焊，主梁为H形钢梁结构形式，次梁为工字型钢梁结构。（3）抽取样本中50%的钢柱构件，对其垂直度进行检测，检测结果符合国家要求规定。（4）钢结构构件连接方式检测鉴定。在钢柱柱脚的连接方式检测方面，该工程钢柱底部和基础顶面预埋钢板采用围焊连接，钢管柱脚底部没有肋板，为混凝土浇筑结构形式;在钢柱与钢梁的连接方式检测方面，该工程上层和下层的钢管柱为不连通结构形式，中间被钢梁分隔，钢管柱与钢梁上部、下部接触部分采用角焊缝方式连接;在次梁与主梁的连接方式检测方面，次梁上部与主梁上部采用对接缝焊接方式连接，次梁下部与主梁下部采用角焊缝方式连接，主梁腹板和次梁腹板采用角焊缝方式连接[4]。

通过对设计方案以及现场的检测可知，本次多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计方案能够满足相关要求规定，能够保障本次工程质量，对后续的钢结构施工建设具有重要的指导作用。

5结语

综上所述，为了解决传统钢结构框架建筑在设计中存在的问题，本文对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计进行全面分析，对钢结构模块尺寸、复合框架方案以及具体构建进行设计优化。根据检测结果可以看出，本次设计创新方案取得了良好的效果，对于钢结构建筑设计以及施工产生良好的推动作用，全面促进了钢结构建筑整体质量提高。

参考文献

[1] 纪龙春.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计研究[J].建筑与装饰，2021（19）：2.

[2] 张鹏飞，张锡治，刘佳迪，等.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析[J].建筑结构，2019，46（10）：95-100.

[3] 王志友.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计探究[J].工程建设与设计，2019（13）：37-38.

[4] 陈志华，周子栋，刘佳迪，等.多层钢结构模块建筑结构设计与分析[J].建筑结构，2019（16）：59-64+18.

Research on the Design of Composite Building Structure with Multi-story Steel Structure Module and Steel Frame

MA Shaoxia

（The Second Branch of Shandong High Speed Laigang Green Construction Development Co.， Ltd.，Jinan Shandong

250000）

Abstract： This article mainly studies the structural design of multi-layer steel structure modules and steel frame composite buildings. By combining with a building project in H City， the multi-layer steel structure design scheme adopted by it is analyzed， and the calculation of structural parameters and simplified design of joints are adopted. As well as the method of model analysis， the best steel structure modular design plan can be obtained， which can improve the design quality of the multi-layer steel structure of the construction project， solve the problems existing in the steel structure design of the current part of the project， so that the quality of the steel structure of the construction project has been comprehensively improved. It has made certain innovations in the design of multi-story steel structures in buildings， hoping to promote my country's architectural design industry.

Keywords： multi-layer steel structure module; steel frame composite structure; building structure design

收稿日期：2021-12-16

作者简介：馬韶霞（1979—），女，山东济南人，本科，工程师，研究方向：钢结构装配式建筑。