鋼結(jié)構設計在房屋設計中的重要性與策略探討

鄭超毅 同濟大學建筑設計研究院 （集團） 有限公司工程師

隨著現(xiàn)代建筑設計藝術的進步、建筑材料種類和性能的增多，建筑設計呈現(xiàn)百花齊放的良好局面。鋼結(jié)構設計作為建筑設計大家庭的重要一員，具有質(zhì)量輕、延性好、強度高等獨特優(yōu)勢，其應用范圍越來越廣，使用頻率越來越大，與傳統(tǒng)設計相比，其優(yōu)越性愈加明顯。但設計者也應該客觀面對其結(jié)構易失穩(wěn)、對火災和高溫抵御能力差等劣勢，通過認識鋼結(jié)構設計規(guī)律，揚長避短，更好地發(fā)揮其在現(xiàn)代建筑設計中的作用。

1 鋼結(jié)構設計在房屋設計中的重要性

現(xiàn)代工業(yè)技術、制造加工業(yè)、材料科學以及設計理念的進步，特別是計算機輔助設計的巨大進步，為鋼結(jié)構設計在房屋設計的作用發(fā)揮提供了強勁動力。

其一，有利于優(yōu)化建筑結(jié)構。鋼結(jié)構設計在房屋建設中的應用，使得建筑結(jié)構外觀設計更加豐富多樣，造型更能體現(xiàn)出設計思想與用戶訴求達到完美統(tǒng)一。鋼結(jié)構設計更有利于實現(xiàn)布置設計形式，使設計形式和內(nèi)容更能體現(xiàn)出時代特點和使用者的個性化需求[1]。

其二，有利于環(huán)保施工。鋼結(jié)構設計可以根據(jù)材料的特殊性，結(jié)合現(xiàn)代綠色環(huán)保施工工藝的運用減少對環(huán)境的污染。節(jié)能環(huán)保材料的應用可以延長建筑房屋的使用壽命，實現(xiàn)材料回收與再利用，節(jié)約能源，降低成本，發(fā)揮出傳統(tǒng)建筑材料不能比擬的優(yōu)勢。

其三，有利于方便施工，實現(xiàn)材料和人工成本的節(jié)約，大幅提高施工效率。

2 鋼結(jié)構設計在房屋設計中的現(xiàn)狀和存在的問題

2.1 鋼結(jié)構設計在房屋設計中的現(xiàn)狀

與城市建筑物規(guī)模大型化、空間寬闊化的趨勢相契合，鋼結(jié)構房屋設計強度高、結(jié)構尺寸小、施工組織靈活方便的特點，在基礎建設、高大樓宇建筑以及民用住宅經(jīng)濟適用房建設方面都得到了廣泛運用。其經(jīng)濟性、簡潔性以及功能多樣性，在超大規(guī)模、超大跨度施工種的便捷性優(yōu)勢，是傳統(tǒng)建筑結(jié)構設計方式無法比擬的。因此，鋼結(jié)構設計在房屋設計中發(fā)展前景廣闊。2018-2020 年間鋼結(jié)構產(chǎn)量如表1 所示。

表1 鋼結(jié)構產(chǎn)量

2.2 鋼結(jié)構設計在房屋設計中存在的問題

但是鋼結(jié)構設計在房屋設計中也存在著一些明顯缺點，鋼結(jié)構設計在房屋設計中的運用也存在問題。

第一，施工單位沒有認真履行職責，對鋼結(jié)構設計圖紙的會審不到位，施工質(zhì)量難以保證。

第二，鋼結(jié)構制作質(zhì)量未達到要求。在鋼結(jié)構預制件、構件的加工制作過程中，操作人員的技術水平達不到精細施工要求，出現(xiàn)切割下料翼緣板尺寸寬窄不一，造成梁板有明顯的凹陷、粗糙度超標以及切割不垂直度等質(zhì)量缺陷[2]。

第三，在鋼件焊接、分部組裝、整體總裝以及除銹防腐等施工環(huán)節(jié)，施工單位未組織技術人員會審圖紙，影響鋼結(jié)構總體穩(wěn)定強度和外觀質(zhì)量，達不到質(zhì)量標準的現(xiàn)象屢有發(fā)生。

3 發(fā)揮鋼結(jié)構設計在房屋設計中作用的途徑和策略

3.1 加強鋼結(jié)構設計在房屋設計中的前景研究

我國建筑施工企業(yè)要針對當前城鎮(zhèn)化建設、基礎設施建設中鋼結(jié)構規(guī)模和數(shù)量劇增的趨勢，深化鋼結(jié)構設計研究，不斷豐富設計思路，完善設計手段，通過利用現(xiàn)代網(wǎng)絡計算機輔助設計技術、總結(jié)鋼結(jié)構設計經(jīng)驗、積極借鑒吸收國內(nèi)先進技術等方式，推進鋼結(jié)構設計理念、設計能力、材料優(yōu)化、施工管理以及安裝工藝達到新的水平。

3.2 提升建筑鋼結(jié)構設計的精細化水平

設計過程要充分考慮建筑物所處的地理環(huán)境、自然氣候條件及使用特點，充分考慮、落實設計因素和相關變化因素細節(jié)。在建筑物的結(jié)構形式和具體內(nèi)容布局上，要將符合建筑物使用要求與為用戶提供舒適環(huán)境相結(jié)合，把人性化設計體現(xiàn)在設計過程當中。在鋼結(jié)構設計過程中，設計師要考慮整體結(jié)構與各輔助結(jié)構之間的關系，使鋼結(jié)構的整體特征與各部分的特征優(yōu)勢得到發(fā)揮。工程設計中，在工程材料的選型方面，設計人員要充分考慮鋼材料使用環(huán)境的特殊性，結(jié)合地域情況考慮防銹蝕和防環(huán)境污染[3]。

3.3 加強重點部位和關鍵環(huán)節(jié)的設計研究

鋼結(jié)構設計要充分抓住房屋結(jié)構的特點，重點從以下環(huán)節(jié)進行設計。一是設計過程要充分考慮軸壓比和減重比等關鍵因素。在設計房屋結(jié)構與鋼材使用控制時，要充分考慮鋼結(jié)構的延伸性和結(jié)構的安全性，降低豎向剛性裂變形成薄弱層的機率，防止結(jié)構產(chǎn)生滑坡和傾斜質(zhì)量事故。通過建立數(shù)學模擬模型和沙盤演練，形成各種應力的均衡分布，確保房屋整體結(jié)構安全。二是在風載與地震的荷載應力設計中，要根據(jù)房屋結(jié)構內(nèi)力與位移的不同，結(jié)合風荷載地震荷載對建筑物形成的彈性力量大小，合理進行力量分布，達到均衡性要求。三是在鋼結(jié)構設計中要根據(jù)計算模型和房屋結(jié)構的具體構造、布置、造型以及鋼結(jié)構總體荷載質(zhì)量的分布，充分考慮建筑場地地質(zhì)情況、地上地下地質(zhì)結(jié)構類型、沉降以及傾斜誤差等關鍵技術參數(shù)。

3.4 加強鋼結(jié)構房屋設計過程質(zhì)量管理

為加強鋼結(jié)構房屋工程施工過程管理，施工單位要組織開展施工圖會審，嚴格落實結(jié)構科學設計的全面內(nèi)容，使所有崗位人員明確房屋建設質(zhì)量管理的重點、操作規(guī)范及標準要求，嚴格執(zhí)行施工質(zhì)量管理“三檢制”標準，確保施工質(zhì)量萬無一失。要加強鋼結(jié)構制作質(zhì)量，制作過程要嚴格按照構件材料、安裝方式及應力平衡設計的參數(shù)標準，精細加工、精準操作，為鋼構件的穩(wěn)定性優(yōu)化提供保障。同時，要建立健全質(zhì)量保障體系，把鋼結(jié)構設計在房屋的具體質(zhì)量控制指標，通過以項目經(jīng)理為核心的項目管理組織機構設置，為建筑的穩(wěn)定性提供保障。

3.5 強化鋼結(jié)構設計中的綠色環(huán)保及安全建設設計

強化鋼結(jié)構設計中綠色環(huán)保施工及安全性建設問題，思路如圖1 所示。針對鋼材受自然環(huán)境和溫度濕度變化影響大的特點，針對鋼材長期暴露在室外環(huán)境下容易生銹腐蝕的情況，需加強對鋼結(jié)構所用材料防潮、防淋等設施建設和防護技術研究，確保使用質(zhì)量。要加強鋼材防腐加工管理過程中不同材料的結(jié)構特點研究，采用有效的防腐材料涂抹方式，滿足材料基礎性和保障性要求。要加強鋼結(jié)構施工中噪音、光、電污染防治，針對施工材料切割、焊接產(chǎn)生聲光、噪音污染嚴重等現(xiàn)象，施工單位要采取設置隔聲門、隔聲窗、遮蓋帳篷等防護措施減少污染。

圖1 鋼結(jié)構安全設計要求

另外，還要加強鋼結(jié)構施工安全作業(yè)管理。針對鋼結(jié)構施工跨度大、空間高，交叉作業(yè)、高空作業(yè)及吊裝作業(yè)安全風險比較大的特點，制定周密的安全施工保障措施，制定安全事故的應急預案，加強施工人員的安全意識，明確安全隱患和防范重點。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構設計中的房屋結(jié)構設計是鋼結(jié)構“大家族”的重要組成部分，鋼結(jié)構設計質(zhì)量與穩(wěn)定性是房屋建設施工的根本，也是決定房屋使用功能和安全性的重要保障?；诖耍O計師要在鋼結(jié)構房屋設計中樹立超前意識，提升建筑鋼結(jié)構房屋精細化設計水平，加強對重點部位和關鍵環(huán)節(jié)的設計研究。施工單位要加強鋼結(jié)構房屋設計過程的質(zhì)量管理，注重鋼結(jié)構設計中的綠色環(huán)保及安全建設設計，對鋼結(jié)構的強度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性進行充分考慮，確保鋼結(jié)構房屋使用功能的穩(wěn)定和安全。