張文杰

（甘肅第四建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

近年來，隨著建筑工程項目的日漸增多，建筑工程安全管理問題頻出，全國各地工程質(zhì)量安全問題相繼出現(xiàn)也給建筑結(jié)構(gòu)設計敲響了警鐘。為提高建筑結(jié)構(gòu)設計的安全和穩(wěn)定性，建筑行業(yè)也經(jīng)歷了多次技術(shù)革新，從原來的磚墻結(jié)構(gòu)到普遍適用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，再到現(xiàn)在日益盛行的鋼結(jié)構(gòu)，建筑體的結(jié)構(gòu)設計形式在不斷改進。鋼結(jié)構(gòu)設計是近年來逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，幫助建筑施工行業(yè)向節(jié)約化、輕量化轉(zhuǎn)變。目前，大量高新建筑主結(jié)構(gòu)體已經(jīng)青睞于向鋼結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)變，其中最為典型的代表莫過于北京鳥巢奧林匹克體育場館，采用純鋼結(jié)構(gòu)的搭接形式，設計新穎、結(jié)構(gòu)獨特，不僅美觀，具有很強的藝術(shù)性，而且簡約，節(jié)約了大量的混凝土建材，對周邊環(huán)境也十分友好，成為建筑行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設計的標桿。然后，鋼結(jié)構(gòu)設計看似簡單，實際上需要經(jīng)過構(gòu)思、分析、計算等多方面的深化設計，以確保鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。在鋼結(jié)構(gòu)深化設計中，設計人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的安全設計原則，重點考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型、鋼結(jié)構(gòu)的連接形式、鋼結(jié)構(gòu)搭接時的力學計算和有限元分析等關(guān)鍵點問題，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)強度不夠等質(zhì)量缺陷。鑒于此，文章針對鋼結(jié)構(gòu)深化設計中的注意事項和重點問題進行分析，并提出了解決和處理問題的策略思路，以確保鋼結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量安全。

2 鋼結(jié)構(gòu)深化設計中的問題分析

2.1 設計人員專業(yè)能力較低，技術(shù)管理相對較弱

鋼結(jié)構(gòu)深化設計需要重點關(guān)注設計方面的問題，首當其沖的是設計人員自身的專業(yè)能力和技術(shù)管理問題。一方面，鋼結(jié)構(gòu)深化設計需要設計人員具有很強的專業(yè)素養(yǎng)，同時還應具備極高的綜合能力，但目前，我國建筑行業(yè)從業(yè)人員，結(jié)構(gòu)設計技術(shù)人員專業(yè)能力相對不高，針對鋼結(jié)構(gòu)設計問題不僅缺乏相應的設計經(jīng)驗，而且在整個鋼結(jié)構(gòu)設計周期的管理中也存在管理漏洞，此外，大部分的鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員僅僅懂得結(jié)構(gòu)設計，對鋼結(jié)構(gòu)的力學計算和有限元分析并不專業(yè)，而鋼結(jié)構(gòu)的力學分析計算是確保鋼結(jié)構(gòu)深化設計質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果缺少了理論計算和分析依據(jù)，很容易導致鋼結(jié)構(gòu)設計圖紙存在一定的錯誤和不合理之處，從而影響鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)深化設計缺乏技術(shù)管理，這體現(xiàn)了設計部門對鋼結(jié)構(gòu)深化設計不夠重視，在對設計圖紙的校對、審核、批準等一系列設計流程中，存在技術(shù)管理不足或部分流程缺失的情況，鋼結(jié)構(gòu)深化設計圖紙需要經(jīng)過技術(shù)討論、方案確定、驗算校核、細化設計、設計審核、審批等一系列過程，任何一個環(huán)節(jié)的缺失都會影響鋼結(jié)構(gòu)設計圖紙的質(zhì)量，而技術(shù)管理上的不夠重視，也無形中助長了圖紙設計缺陷問題的發(fā)生。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)設計缺乏依據(jù)，理論計算和分析不足

鋼結(jié)構(gòu)深化設計中需要遵循一定的設計原則、理論計算和建模分析等，只有經(jīng)過理論計算和分析合格以后，才能進一步提升結(jié)構(gòu)設計安全系數(shù)，確保鋼結(jié)構(gòu)設計的安全。但是實際設計中，一些設計人員照搬照抄其他類似項目的圖紙，忽視了鋼結(jié)構(gòu)設計上的原則性問題，缺少正確的理論計算和建模分析，從而導致設計圖紙存在錯誤或不合理之處。首先，我國建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中規(guī)定了鋼結(jié)構(gòu)設計的一些設計標準，部分鋼結(jié)構(gòu)設計人員經(jīng)常依據(jù)設計經(jīng)驗而輕視設計規(guī)范，導致鋼結(jié)構(gòu)設計偏離了相關(guān)設計規(guī)范標準，雖然依據(jù)設計經(jīng)驗并不會帶來多大的問題，但是其中隱藏的安全風險也不容忽視；其次，設計人員缺乏理論計算和利用有限元分析軟件建模分析的能力，導致對深化設計形式缺乏理論計算和建模分析的校核，理論力學、材料力學計算是鋼結(jié)構(gòu)安全設計的重點理論基礎，缺少理論基礎的支撐，設計圖紙的正確性無法保證，而有限元分析計算可以模擬振動、沖擊等更多特殊條件下的受力情況，對鋼結(jié)構(gòu)設計分析更加嚴謹深入，缺少有限元建模分析，鋼結(jié)構(gòu)設計的安全系數(shù)不明確，同樣不能保證設計圖紙的安全性。此外，在進行理論計算和建模分析時，一定要選擇正確的計算公式，輸入正確的邊界條件，否則將會得出錯誤的計算結(jié)果，根據(jù)錯誤的計算結(jié)果作為設計依據(jù)，必然存在很大的安全風險，因此，計算過程必須認真、嚴謹，計算結(jié)果必須準確、可靠。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)的型材選型問題，截面參數(shù)估算偏差

鋼結(jié)構(gòu)由大量的型鋼組成，因此，對鋼結(jié)構(gòu)的型材選型和截面估算上也是鋼結(jié)構(gòu)深化設計中的重點內(nèi)容，目前存在的主要問題在于鋼結(jié)構(gòu)型材選型不準確、截面參數(shù)估算偏差過大等。一方面，鋼結(jié)構(gòu)型材選型上，市面上有槽鋼、H型鋼等不同的鋼材類型，設計人員在進行鋼結(jié)構(gòu)深化設計時，如果沒有依據(jù)建筑項目實際結(jié)構(gòu)需求和計算結(jié)果選擇合適的鋼材類型，不僅會影響鋼結(jié)構(gòu)的連接點的設計，而且也會影響鋼結(jié)構(gòu)的力學性能，而且對鋼材選型不嚴謹，也會導致鋼材的浪費，因為槽鋼、H型鋼間的力學性能不同、結(jié)構(gòu)差異也大、造價成本也有差別，因此，如果鋼材選型上沒有充分考慮到位，既會影響鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全，同時也會影響工程造價的成本；另一方面，鋼材結(jié)構(gòu)布置和連接點形式的設計與鋼材截面形式息息相關(guān)，因此，在鋼結(jié)構(gòu)深化設計中如果缺乏對鋼材截面參數(shù)的正確估算，也會影響鋼結(jié)構(gòu)支撐和連接的安全和穩(wěn)固性，鋼結(jié)構(gòu)截面的估算與不同型鋼的截面尺寸有關(guān)，截面估算還包含了對構(gòu)件梁柱和支撐面的選型、截面高度、板材厚度以及支座載荷情況等，如果這些關(guān)鍵點參數(shù)不明確或選型存在嚴重誤差，對鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全影響很大，建筑結(jié)構(gòu)也將存在嚴重的安全風險。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設計中的關(guān)鍵技術(shù)點分析

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的設計選型

鋼結(jié)構(gòu)深化設計中，針對鋼結(jié)構(gòu)的設計選型問題極為關(guān)鍵，不僅影響到后續(xù)設計的配合性和結(jié)構(gòu)力學性能的穩(wěn)定性，同時也影響到建筑企業(yè)的經(jīng)濟效益。首先，針對鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性考慮上，由于建筑體中用到大量的鋼結(jié)構(gòu)，其中工程造價成本影響很大，而設計中所需的鋼材類型、截面尺寸、布置形式等影響到鋼材的價格以及用材的數(shù)量，這些都是影響建筑企業(yè)工程造價成本的關(guān)鍵，因此，建筑企業(yè)在前期鋼結(jié)構(gòu)深化設計階段，必須綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的設計選型問題，在滿足鋼結(jié)構(gòu)力學性能和質(zhì)量安全前提下，應選擇造價經(jīng)濟的鋼材類型，同時，要正確計算用鋼量，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、改進結(jié)構(gòu)形式，從而盡可能地降低用鋼量，節(jié)約造價成本；其次，鋼結(jié)構(gòu)的布置設計上，應考慮跨度形式、懸掛載荷、經(jīng)濟性等多方面因素，在布置設計上多下功夫，是控制鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的必要條件，也是節(jié)約工程造價成本的關(guān)鍵。為此，鋼結(jié)構(gòu)布置設計的力學模型要清晰，建模準確，邊界條件應考慮全面，特別是針對抗震、抗剪、抗彎等極限工況載荷的力學模型驗算，一定要準確計算，滿足鋼結(jié)構(gòu)設計的安全系數(shù)要求，此外，鋼結(jié)構(gòu)梁的設計和布置，應考慮主梁、次梁等一系列鋼結(jié)構(gòu)的布置位置，特別是針對框架結(jié)構(gòu)的樓層平面控制上，應控制好樓層凈高，同時也要考慮頂層邊柱等鋼結(jié)構(gòu)的受力條件，避免出現(xiàn)承載能力不足的情況而埋下安全隱患。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)的截面估算

鋼結(jié)構(gòu)的截面形式和估算面積影響到整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固，因此，鋼結(jié)構(gòu)截面估算也是鋼結(jié)構(gòu)深化設計中必須關(guān)注的關(guān)鍵點之一。鋼結(jié)構(gòu)截面的大小不僅影響到用鋼量的大小，同時也影響到鋼結(jié)構(gòu)的連接形式和力學安全性能，為此，必須正確估算鋼結(jié)構(gòu)截面積，正確選擇合適的型鋼類型。首先，鋼結(jié)構(gòu)中不同的型鋼類型其截面形式不一樣，如槽鋼、軋鋼、H型鋼等，深化設計時應根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)承受載荷能力及支座連接要求合理選擇鋼結(jié)構(gòu)的截面類型，從而確定選取鋼材的類型，其中，需要注意的一些關(guān)鍵參數(shù)應計算準確，如鋼結(jié)構(gòu)所需截面的高度、寬度以及翼緣厚度等，保證鋼結(jié)構(gòu)截面的承載能力；其次，計算鋼結(jié)構(gòu)截面時，針對梁柱形式的鋼結(jié)構(gòu)截面可以采用長細比的估算形式，柱截面選型上，有一定的設計要求，通常會根據(jù)截面軸心受壓、雙向受彎矩或單向受彎等不同的受力條件，選擇鋼管、H型鋼等相應的截面類型，從而根據(jù)計算的用鋼量，估算所需的截面大??；再次，在鋼結(jié)構(gòu)深化設計中，針對鋼結(jié)構(gòu)截面選型的要求上并沒有固定的形式，結(jié)構(gòu)設計人員應根據(jù)實際受力情況，具體問題具體分析，合理選取承載性能好、經(jīng)濟性高的鋼材類型，在確保鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的前提下，也要重視造價成本的節(jié)約。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設計

鋼結(jié)構(gòu)由大量的型鋼連接而成，因此，鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設計也是影響鋼結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量安全的一大重要技術(shù)因素。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計形式上，可根據(jù)不同種類的鋼結(jié)構(gòu)形式選取，設計中應考慮連接強度、連接可操作性等多方面因素，確保節(jié)點連接安全可靠。首先，焊接是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接中最為常見的一種形式，針對焊接設計要求，應合理選取焊接形式，一定要在圖紙中按焊接規(guī)范要求標注好焊接符號，保證焊接質(zhì)量，同時，應在技術(shù)要求中明確焊縫質(zhì)量，考慮焊縫的重心位置盡量與構(gòu)件重心接近，并要求做好焊縫的無損檢測，保證焊縫質(zhì)量，提高焊接可靠性；其次，針對鋼結(jié)構(gòu)連接板之間的節(jié)點設計，需準確計算選取連接板的厚度，根據(jù)設計規(guī)范要求，連接板厚度比梁覆板厚度至少大于4 mm以上，可在確定梁覆板厚度尺寸以后，確定連接板的厚度，同時，根據(jù)確定的厚度，運用有限元分析軟件，驗算連接板凈截面的抗剪性能是否合格達標，如不達標，可增大凈截面積或者適當提高連接板厚度等，保證連接板的力學性能；再次，如在鋼結(jié)構(gòu)中采用螺栓連接形式，應確定連接螺栓數(shù)量，并驗算連接螺栓孔凈截面的抗剪能力，同時，選擇高強度的連接螺栓，并驗算連接螺栓的承壓和抗剪能力，保證連接螺栓的可靠性。

4 提升鋼結(jié)構(gòu)深化設計質(zhì)量的策略分析

4.1 提高鋼結(jié)構(gòu)設計人員的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)

鋼結(jié)構(gòu)深化設計十分考驗設計人員的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)，為此，設計單位必須加強設計人員技術(shù)能力的提升，并通過強化技術(shù)管理，提高設計人員的綜合素質(zhì)，保證鋼結(jié)構(gòu)設計圖紙質(zhì)量。為此，首先，必須嚴格選拔鋼結(jié)構(gòu)設計人員，根據(jù)學歷條件、專業(yè)水平、從業(yè)經(jīng)驗、業(yè)績要求等選拔優(yōu)秀的設計人員，提升設計團隊的專業(yè)水平；其次，加強設計人員的日?？己撕图夹g(shù)培訓，技術(shù)水平考慮依據(jù)設計任務量、設計錯誤率、圖紙返工率等作為考核條件，采取優(yōu)勝劣汰或績效評級的方式，同時，定期進行設計經(jīng)驗交流或技術(shù)培訓，提高設計人員的專業(yè)水平；再次。設計部門必須重視鋼結(jié)構(gòu)圖紙設計的技術(shù)管理工作，嚴格要求設計質(zhì)量，認真做好設計校對、審核、審批等不同流程的任務要求，特別是針對圖紙審核，一定要認真、負責，發(fā)現(xiàn)錯誤立即要求更改，提高圖紙設計質(zhì)量。

4.2 合理運用分析軟件及計算理論驗算力學性能

鋼結(jié)構(gòu)深化設計中，為保證鋼結(jié)構(gòu)設計合理和力學結(jié)構(gòu)的安全可靠性，通常需要利用有限元分析軟件以及普遍適用的力學計算模型進行理論驗算，達到一定安全系數(shù)的前提下再考慮設計形式的適用及合理性。首先，鋼結(jié)構(gòu)力學性能分析軟件中，常用的如ANSYS有限元分析軟件，必須要求結(jié)構(gòu)設計人員熟練掌握有限元分析軟件的操作，根據(jù)設計圖紙正確建立力學模型，根據(jù)實際工況條件正確輸入邊界條件，提高有限元分析的準確性；其次，合理選用鋼結(jié)構(gòu)設計中普遍適用的力學計算公式、理論結(jié)果等，如材料力學、梁——柱理論、預張拉結(jié)構(gòu)理論等，保證鋼結(jié)構(gòu)力學設計遵循正確的理論基礎，并通過這些科學、完善、合理的理論體系驗算，進一步驗證圖紙設計的可靠性，從而提高鋼結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量安全。

4.3 綜合考慮不同因素對鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的影響

在鋼結(jié)構(gòu)深化設計中，應綜合考慮不同的因素可能對鋼結(jié)構(gòu)力學性能和質(zhì)量安全帶來的影響，盡量減少不同因素帶來的安全風險。為此，首先，鋼結(jié)構(gòu)設計方案確定上，要認真做好前期的研究工作，分析工程條件和不同的影響因素，合理設計鋼結(jié)構(gòu)形式，對設計方案進行反復分析、驗算、校核，并不斷優(yōu)化改進設計方案，以確定設計方案的可靠性；其次，在針對鋼結(jié)構(gòu)設計驗算時，應充分考慮鋼結(jié)構(gòu)受力的極端條件，如遇地震、臺風等極端天氣下鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴格按照鋼結(jié)構(gòu)抗震等級進行安全驗算，充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的承壓能力和不均勻負載條件的承受能力，通過必要的加固措施或優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)形式，提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震、抗剪、抗壓等力學能力，以達到安全穩(wěn)固的設計條件。

5 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)設計是近年來逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，幫助建筑施工行業(yè)向節(jié)約化、輕量化轉(zhuǎn)變。為此，在鋼結(jié)構(gòu)深化設計中，設計人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的安全設計原則，重點考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型、鋼結(jié)構(gòu)的連接形式、鋼結(jié)構(gòu)搭接時的力學計算和有限元分析等關(guān)鍵點問題，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)強度不夠等質(zhì)量缺陷。