試論房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及改進(jìn)措施分析

高超

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070

引言

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是房屋建造的重要環(huán)節(jié)之一，它直接影響到房屋的安全性、穩(wěn)定性和使用壽命。因此，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并且需要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算和檢驗(yàn)，以確保房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全可靠。本文將從常見問題和改進(jìn)措施兩個(gè)方面對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討。

1 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是房屋建造的重要環(huán)節(jié)之一，它直接影響到房屋的安全性、穩(wěn)定性和使用壽命。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并且需要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算和檢驗(yàn)，以確保房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全可靠；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到房屋的使用壽命，合理選擇材料和結(jié)構(gòu)形式，以延長房屋的使用壽命；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到房屋的舒適性和節(jié)能性，合理設(shè)計(jì)房屋的通風(fēng)、采光、隔音等方面，以提高房屋的舒適性和節(jié)能性；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到房屋的經(jīng)濟(jì)效益，合理控制建造成本，以提高房屋的經(jīng)濟(jì)效益[1]。為了滿足實(shí)際使用功能要求和設(shè)計(jì)要求，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮建筑物所承受的荷載類型、大小以及分布情況等因素，根據(jù)具體情況選用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型和布置方式。同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合理、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸等參數(shù)，并確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足房屋建筑工程安全性要求。

2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常見的問題包括抗震設(shè)計(jì)不足、耐久性設(shè)計(jì)不夠、強(qiáng)度設(shè)計(jì)不合理、結(jié)構(gòu)布局不合理、局部元素設(shè)計(jì)不當(dāng)和材料選擇不合理等。這些問題可能會導(dǎo)致房屋在使用過程中出現(xiàn)各種安全隱患和功能失效。首先，抗震設(shè)計(jì)不足是一個(gè)普遍存在的問題。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，不合理的抗震設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)的破壞，甚至倒塌。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)師需要對地震力進(jìn)行充分的分析和計(jì)算，并采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?，如增加結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，使用抗震支撐系統(tǒng)等。此外，耐久性設(shè)計(jì)不夠和強(qiáng)度設(shè)計(jì)不合理也會影響房屋的使用壽命和安全性。房屋結(jié)構(gòu)在長期使用中可能會受到自然環(huán)境、機(jī)械荷載等的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞和破壞。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)師需要考慮結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度，并選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾褪┕し椒?。另外，結(jié)構(gòu)布局不合理、局部元素設(shè)計(jì)不當(dāng)和材料選擇不合理也會影響房屋的整體性能和穩(wěn)定性。合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高房屋的空間利用率和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而不當(dāng)?shù)木植吭卦O(shè)計(jì)和材料選擇可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)和功能缺陷。為了優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以采取一系列改進(jìn)措施。優(yōu)化結(jié)構(gòu)壽命可以通過考慮結(jié)構(gòu)的耐久性和維護(hù)性，選擇合適的材料和施工方法來延長房屋的使用壽命。整體與局部設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的布局和局部元素的設(shè)計(jì)，提高房屋的整體性能和穩(wěn)定性。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過增加結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，提高房屋的抗震能力。上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以通過合理選擇上部結(jié)構(gòu)的材料和施工方法，提高房屋的防水性能和耐久性。

3 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)壽命

在實(shí)際的房屋建筑施工過程中，由于技術(shù)水平、施工管理等方面存在問題，使得建筑的結(jié)構(gòu)抗震性能較差，不能滿足人們的使用需求。在當(dāng)前我國地震頻發(fā)的大環(huán)境下，加強(qiáng)對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重視，采取有效措施降低地震災(zāi)害所帶來的影響和損失，優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)壽命成為當(dāng)前社會發(fā)展過程中所關(guān)注的重點(diǎn)問題。在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，并且需要充分考慮當(dāng)?shù)氐牡卣鸹顒忧闆r，合理設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度和設(shè)防水平。此外還需要加強(qiáng)對建筑材料的合理選擇，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量采用強(qiáng)度高、耐久性好、質(zhì)量輕以及價(jià)格低的材料。還應(yīng)重視對建筑構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量檢測和維護(hù)保養(yǎng)，防止建筑構(gòu)件在使用過程中出現(xiàn)變形或損壞[2]。

在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：首先要選擇合適的房屋結(jié)構(gòu)類型；其次要加強(qiáng)對房屋建筑基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)管理；再次要加強(qiáng)對房屋建筑施工材料及設(shè)備質(zhì)量的管理；最后還需要加強(qiáng)對房屋建筑施工技術(shù)與施工質(zhì)量的控制。在實(shí)際的房屋建筑施工中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣鸹顒忧闆r進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。如在我國，地震活動強(qiáng)烈、分布不均、分布復(fù)雜、發(fā)生頻繁，導(dǎo)致很多地區(qū)在建設(shè)時(shí)都會選擇抗震能力強(qiáng)且便于施工的抗側(cè)力體系[3]。在進(jìn)行抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：第一，要根據(jù)建筑物所處地區(qū)實(shí)際情況確定結(jié)構(gòu)形式；第二，要合理選擇抗震性能強(qiáng)且不易損壞的建筑材料；第三，要優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系。

3.2 整體與局部設(shè)計(jì)優(yōu)化

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采取以下改進(jìn)措施來提高整體與局部設(shè)計(jì)的優(yōu)化：通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減少材料的使用量，提高房屋的承重能力和抗震性能，從而提高房屋的安全性和穩(wěn)定性；新型材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、防火等特點(diǎn)，可以減少房屋的自重，提高房屋的抗震性能和耐久性，從而降低房屋的維護(hù)成本；通過優(yōu)化建造工藝，可以提高建造效率，降低建造成本，減少施工過程中的浪費(fèi)和損失；智能化技術(shù)可以提高房屋的舒適度和安全性，如智能化門鎖。智能化照明系統(tǒng)、智能化安防系統(tǒng)等；在房屋設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)多功能空間，使得房屋的空間利用率更高，同時(shí)也能提高房屋的舒適度；采用可再生能源可以降低房屋的能源消耗，減少對環(huán)境的影響，同時(shí)也能降低房屋的運(yùn)營成本；可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)是一種以減少環(huán)境影響為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)化建筑材料、能源利用和水資源管理等方面，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的最小化影響，同時(shí)提高房屋的舒適度和健康性；先進(jìn)的建筑技術(shù)包括3D打印、預(yù)制構(gòu)件、模塊化建筑等，這些技術(shù)可以提高建筑效率和質(zhì)量，同時(shí)減少浪費(fèi)和成本；人性化設(shè)計(jì)是指在房屋設(shè)計(jì)中考慮到人的需求和行為，例如設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)的家具、充足的自然采光和通風(fēng)等，這些設(shè)計(jì)可以提高房屋的舒適度和健康性；綠色屋頂是指在房屋屋頂種植植物，可以提高房屋的保溫性能和空氣質(zhì)量，同時(shí)還能減少雨水徑流和城市熱島效應(yīng)；智能化管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對房屋的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，例如遠(yuǎn)程控制溫度、濕度、照明等，這些系統(tǒng)可以提高房屋的舒適度和安全性，同時(shí)降低運(yùn)營成本。綜上所述，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的改進(jìn)措施是多種多樣的，可以根據(jù)不同的需求和目標(biāo)采取不同的措施，以實(shí)現(xiàn)房屋的優(yōu)化設(shè)計(jì)和最大化的效益。

3.3 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

房屋建筑設(shè)計(jì)中，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系和質(zhì)量較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是減少地震災(zāi)害損失最有效的方法之一。我國現(xiàn)在使用比較多的結(jié)構(gòu)體系有磚混結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-筒體結(jié)構(gòu)等，而質(zhì)量較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要有框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-筒體結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行房屋建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和氣候因素，選擇合適的建筑材料，尤其是對于容易發(fā)生地震災(zāi)害地區(qū)的房屋建筑，要選用質(zhì)量較好的鋼筋混凝土材料。除此之外，還應(yīng)考慮到房屋建筑使用功能要求，對于一些居住功能要求較高的建筑物可以采用磚木結(jié)構(gòu)、磚混和框架-剪力墻等。通過合理選擇房屋建筑設(shè)計(jì)中的鋼筋混凝土材料可以提高房屋建筑抗震性能。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：整體性好，結(jié)構(gòu)布置靈活，平面內(nèi)剛度均勻；能夠充分利用柱的截面，能較好地滿足建筑布置對柱截面尺寸的要求，框架柱一般采用工字鋼和H型鋼；抗震性能好。框架結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)是：剛度大，層間位移大，易發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；建筑平面內(nèi)剛度不均勻，容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞；框架柱承受著很大的軸壓比荷載，因而較易產(chǎn)生較大的塑性變形；框架結(jié)構(gòu)體系中的梁柱節(jié)點(diǎn)，除受軸向壓力外，還同時(shí)承受彎矩和剪力；對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求高。框架結(jié)構(gòu)體系適用于多層及高層建筑結(jié)構(gòu)中，也適用于抗震設(shè)防烈度為6-9度的地區(qū)。但設(shè)計(jì)時(shí)要注意框架結(jié)構(gòu)不能只考慮其抗彎作用而忽略其抗剪和抗扭作用，更要注意其變形能力。

框架梁截面尺寸及配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化：在實(shí)際工程中，常見的框架梁截面尺寸為500mm×500mm或500mm×550mm，鋼筋為2.5-3.5級鋼筋。配筋方面主要存在以下問題：第一，如果采用多跨框架梁計(jì)算時(shí)，會出現(xiàn)梁端截面配筋偏小的現(xiàn)象；第二，如果采用角柱計(jì)算時(shí)，會出現(xiàn)梁端截面配筋偏小的現(xiàn)象；第三，如果采用柱端截面配筋率小于0.25%時(shí)（當(dāng)柱截面面積為250～350mm2時(shí)）會出現(xiàn)柱端軸力偏小的現(xiàn)象；第四，如果采用角柱計(jì)算時(shí)，會出現(xiàn)梁端彎矩增大的現(xiàn)象；第五，如果采用柱與梁連接方式計(jì)算時(shí)（當(dāng)柱直徑大于600mm且配筋率小于0.25%時(shí)）會出現(xiàn)梁端截面受剪偏大的現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減少框架梁的跨度，降低截面尺寸。

板與墻連接部位構(gòu)造優(yōu)化：在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對板與墻連接部位構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一，對于填充墻和柱帽，要注意其長度以及洞口位置的確定；第二，對于填充墻與框架梁之間連接部位要加強(qiáng)配筋；第三，對于填充墻與柱之間連接部位要增加箍筋。由于在實(shí)際工程中，填充墻與框架梁之間大多沒有設(shè)置鋼筋混凝土圈梁來加強(qiáng)其整體性，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要注意對圈梁的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

剪力墻結(jié)構(gòu)是指用鋼筋混凝土承重的墻體來承受豎向荷載，并將其分解為若干部分，使其成為一個(gè)整體。剪力墻結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：由于墻體是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，抗震性能好；墻與柱的協(xié)同工作能力強(qiáng)，受力合理；剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑平面布置靈活，可以形成不同的空間結(jié)構(gòu)體系；剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的延性和耗能能力，適用于地震區(qū)；剪力墻結(jié)構(gòu)中各部分構(gòu)件受力明確、傳力途徑明確；剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地滿足建筑平面布置、使用功能、立面造型等方面的要求；剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能好，可用于抗震設(shè)計(jì)時(shí)作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)是一種適合于高層建筑的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.4 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

合理的平面、立面布置，對提高建筑的空間使用效率，充分發(fā)揮建筑物的使用功能具有重要作用。如房屋的建筑高度、層數(shù)、層高等，都與房屋的平面、立面布置密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮建筑物平面、立面的布置，使房屋具有良好的空間效果和視覺效果。在確定建筑結(jié)構(gòu)類型時(shí)，應(yīng)結(jié)合建筑功能要求、空間尺度、場地條件等因素合理選擇結(jié)構(gòu)形式。在房屋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用整體穩(wěn)定，承載能力高的結(jié)構(gòu)形式，避免采用自重大、使用荷載大、施工難度大等問題的結(jié)構(gòu)形式[4]。同時(shí)應(yīng)盡可能降低工程造價(jià)，提高房屋建筑的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。通過優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以提高房屋的通風(fēng)、采光等環(huán)境因素。例如，在設(shè)計(jì)房屋的屋頂時(shí)，可以考慮采用天窗或者開放式的設(shè)計(jì)，增加室內(nèi)的采光和通風(fēng)。此外，可以利用屋頂?shù)男泵嬖O(shè)計(jì)，增加房屋的天然通風(fēng)效果，減少空調(diào)的使用，提高能源利用效率；在設(shè)計(jì)房屋的屋頂時(shí)，可以考慮采用綠色屋頂或者太陽能板，增加房屋的隔熱效果和保溫性能，減少室內(nèi)溫度波動，提高房屋的舒適度?？傊?，通過優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以提高房屋的環(huán)境因素、舒適度和美觀度，為居住者創(chuàng)造更加宜居、舒適和美好的居住環(huán)境。

4 結(jié)束語

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程中非常重要的一環(huán)，需要充分考慮安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多方面因素。在設(shè)計(jì)過程中，需要不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高結(jié)構(gòu)的壽命和穩(wěn)定性，同時(shí)還要滿足人們對于舒適、美觀等方面的需求。只有通過不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)，才能建造出更加安全、環(huán)保、舒適的房屋。