摘要：本文作者结合多年工作实践经验，首先介绍了轻钢结构的特点，然后主要就轻钢结构优化设计方面进行了简单探讨，希望对相关从业人员有所帮助。
关键词：轻钢结构；特点；设计；问题；优化措施
轻钢结构是指由钢材所组成主要构造的结构，其材质主要为钢材，安装方式为焊接或螺栓连接等。轻钢结构具有施工工期短、抗震性能好等特点，因此得到了广泛的应用和推广。但是目前国内专业的轻钢设计相对还少，在进行轻钢的结构设计过程中，很多设计人员往往沿用传统的钢结构概念，这样虽然保证了安全，但是造成了很大浪费，增加了建设投资。因此，在轻型钢结构设计过程中如何把轻钢结构设计得更轻更安全，是设计人员所要考虑和探讨的问题。
1轻钢结构的特点
1.1自重轻、抗震性能好、安全性高。轻钢结构采用高效轻型薄壁型材, 承载力高, 构件尺寸小, 围护结构采用自重小的轻质墙体和楼面材料, 一般可减轻建筑结构自重的30 % , 质量是钢筋混凝土住宅的1/2 左右。轻钢结构整体刚度大, 钢材强度高、延性好, 因此抗震性能好, 用于结构抗震措施的费用少, 适用于地震多发区; 结构自重轻, 基础负担小还可大幅减少基础造价,尤其适用于地质条件较差的地区。
1.2建筑造型简洁美观, 内部空间布置灵活丰富。钢材强度高, 可以采用大空间柱网布置, 建筑设计不受结构限制, 这种住宅为建筑师的创维设计提供了无限想象空间。因此, 轻钢结构住宅外形轻巧美观, 墙体与屋面色彩丰富, 屋顶造型别致, 尽显现代风格。室内大空间无梁无柱, 跨度可达12 m , 为业主提供了个性化分隔室内空间的可能。真正体现“以人为本”的设计理念; 同时, 墙柱等构件截面尺寸小, 可增加净使用面积5 %～8 % , 当考虑楼板的组合作用, 使用组合梁或扁梁时, 还可以增加净高, 实现大空间住宅设计理念。
1.3实现住宅产业化、建筑集成化。轻钢结构住宅构件在工厂大批量、标准化生产, 现场拼装, 工业化程度高, 设计、生产、施工一体化, 提高了住宅产业化水平。
1.4施工快捷、工期短, 不受季节限制。与传统住宅体系相比, 轻钢结构住宅至少可缩短1/ 3的工期。一栋 100 m2 的别墅房只需10 天左右时间, 例如上海现代房产实业有限公司建造的 500 m 的二层别墅仅用了45 个工日, 并且包括内外装修。真正做到既快又经济, 因此最大限度地为业主节约了投资。
1.5绿色、环保, 符合国家可持续性发展的要求。轻钢结构住宅不使用粘土砖, 符合国家土地资源政策;施工过程中环境破坏及污染少, 符合国家环保政策; 而且大部分材料可回收和再生, 具有很高的可重复使用性和可循环性, 符合国家可持续发展战略。因此, 轻钢结构住宅堪称绿色环保型建筑典范。
1.6防腐耐久, 舒适性好。轻钢墙体龙骨完全封闭在隔水层与石膏板之间, 不锈蚀, 不腐蚀, 不生霉菌, 防潮性能好; 墙体采用新型轻质围护材料, 不助燃, 不霉变, 不虫蛀; 装修一次到位, 少维修; 管线可暗埋在墙体及楼层结构中; 在保温、隔热、隔声等性能方面比传统结构的住宅好, 因此住宅的舒适性更好。
1.7宜于拆卸搬迁.一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
1.8设计技术先进。利用先进的计算机辅助设计(CAD) 和计算机辅助制造(CAM) 技术, 能全面按用户要求进行设计, 且效率高、报价快、造价低、供货迅速。
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2 轻钢结构设计优化措施
2.1一体化优化设计
（1）传统钢结构建筑的设计都是按着先建筑设计后结构设计的理念进行设计，而轻钢结构建筑由于其特殊的材料和先进的设计软件，得以使设计程序实现建筑结构一体化设计，即建筑设计完成与结构设计同时完成。目前，国外知名的设计公司都是遵循这样一条理念，而国内的大多数设计院较为保守，其建筑设计按传统设计方式进行，一方面很难完整地表现其建筑风格，另一方面也破坏了轻钢结构建筑特有的建筑特色。
（2）围护系统与主体结构设计一体化。国内设计项目基本做法是，主体结构的设计、围护行设计，为保证建筑整体安装的精确度，如在两柱之间安装轻质墙板，有必要执行建筑模数制。
（3）配件系统与整体建筑系统设计一体化。在安装时或基本保证安装结束的时候，应该是地面上没有多余的配件，建筑上也没有缺少的配件。而实际施工种却是少配件，或者多配件。因为配件系统的设计与整个建筑系统的设计不统一的结果。这里需要考虑配件标准化的问题
2.2截面优化设计
（1）轻钢结构建筑设计，降低其用钢量是设计的主要任务之一，但这就使得结构分析和构件计算变得复杂化。在门式钢架中，常规是采用轻型焊接变截面工形柱和分段变截面工形梁并利用腹板屈曲后强度来完成这一目标
（2）截面优化的实现方法有两种。一是最优化理论。把问题归结为一个单目标规划问题，优化的目标函数是用钢量最少或造价最低，各种设计条件如结构反应（应力、位移等)的允许范围等都可作为约束条件，用数学规划的理论来寻求最优解或最满意解。二是穷举法。即把各种合理的构件截面形式都进行计算比较，在满足设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低为控制条件，得到满意的截面尺寸。
2.3轻型钢房屋结构的优化设计
（1）确定合理的跨度。由于生产工艺、使用功能具有一定的差异，这就使得轻型钢房屋结构的跨度不尽相同，部分业主还会要求轻钢生产方根据建筑的使用功能，确定最为经济、合理的跨度，以达到降低造价的目的。通常情况下，若是柱高、荷载一定，则可将跨度适当增加，这样刚架的用钢量并不会大量增加，但可以节省空间、降低基础造价，最终提高了建筑的综合效益。当前，经过大量实践发现，若是檐高是6m，柱距是7.5m，那么在荷载情况一致时（恒载是0.4kN/m2、活载是O.5kN/m2、基本风压是0.4kN/m2，无吊车），则跨度是18-48m的钢架的单位用钢量一般处于18-35kg/m2；若是檐高是12m，则跨度是18-48m的钢架的单位用钢量一般处于25-40kg/m2；若是檐高大于18m，则应采用多跨刚架。综上所述，设计者在进行轻型钢房屋结构设计时，必须要根据实际情况进行跨度的选择，以经济合理为主，而不是一味地追求大跨度。
（2） 确定合理的柱距。当前随着轻钢结构的应用，建筑物的柱距也在不断增大，以达到减少用钢量的目的。但是，柱距的增大也会加大檩条的用钢量，因此，必须确定最适合的柱距，以达到总体用钢量的最优化，降低建造成本。
（3）确定合理的计算模型。通常情况下，轻型门式刚架的计算模型主要为柱和基础铰接、横梁和柱刚接，多跨刚架的中柱则大多使用摇摆柱。若是柱高度较大，则为了控制水平荷载作用下的柱顶位移，柱脚应采用刚接，多跨刚架的中柱和横梁的连接也应使用刚接。在进行实际工程设计时，必须要按照具体的情况对其进行合理选择。
3 结语
总之，随着建筑行业的不断发展，轻钢结构得到了越来越广泛的应用，我们要加强对轻钢结构设计的研究，不断总结优化设计的方法，为轻钢结构更好的应用，提供设计保障。
参考文献：
[1]李谷满.浅谈轻型门式刚架结构优化设计[J].黑龙江科技信息，2009（33）.
[2]王万通.轻型钢结构最优柱距研究[J].山西建筑，2008（24）.
论文作者:钱卫华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/9/10
标签：结构论文; 轻钢论文; 建筑论文; 住宅论文; 跨度论文; 截面论文; 结构设计论文; 《基层建设》2018年第19期论文;