鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中的重要性與策略探討

鄭超毅 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 （集團(tuán)） 有限公司工程師

隨著現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)藝術(shù)的進(jìn)步、建筑材料種類和性能的增多，建筑設(shè)計(jì)呈現(xiàn)百花齊放的良好局面。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為建筑設(shè)計(jì)大家庭的重要一員，具有質(zhì)量輕、延性好、強(qiáng)度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，使用頻率越來(lái)越大，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，其優(yōu)越性愈加明顯。但設(shè)計(jì)者也應(yīng)該客觀面對(duì)其結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)、對(duì)火災(zāi)和高溫抵御能力差等劣勢(shì)，通過(guò)認(rèn)識(shí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律，揚(yáng)長(zhǎng)避短，更好地發(fā)揮其在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中的作用。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中的重要性

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)、制造加工業(yè)、材料科學(xué)以及設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的巨大進(jìn)步，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)的作用發(fā)揮提供了強(qiáng)勁動(dòng)力。

其一，有利于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋建設(shè)中的應(yīng)用，使得建筑結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)更加豐富多樣，造型更能體現(xiàn)出設(shè)計(jì)思想與用戶訴求達(dá)到完美統(tǒng)一。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有利于實(shí)現(xiàn)布置設(shè)計(jì)形式，使設(shè)計(jì)形式和內(nèi)容更能體現(xiàn)出時(shí)代特點(diǎn)和使用者的個(gè)性化需求[1]。

其二，有利于環(huán)保施工。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)用減少對(duì)環(huán)境的污染。節(jié)能環(huán)保材料的應(yīng)用可以延長(zhǎng)建筑房屋的使用壽命，實(shí)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(shì)。

其三，有利于方便施工，實(shí)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(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

2.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)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(shì)相契合，鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)尺寸小、施工組織靈活方便的特點(diǎn)，在基礎(chǔ)建設(shè)、高大樓宇建筑以及民用住宅經(jīng)濟(jì)適用房建設(shè)方面都得到了廣泛運(yùn)用。其經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)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(shì)，是傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式無(wú)法比擬的。因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中發(fā)展前景廣闊。2018-2020 年間鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量如表1 所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量

2.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

但是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中也存在著一些明顯缺點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中的運(yùn)用也存在問(wèn)題。

第一，施工單位沒(méi)有認(rèn)真履行職責(zé)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的會(huì)審不到位，施工質(zhì)量難以保證。

第二，鋼結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量未達(dá)到要求。在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件、構(gòu)件的加工制作過(guò)程中，操作人員的技術(shù)水平達(dá)不到精細(xì)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(biāo)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(shù)人員會(huì)審圖紙，影響鋼結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定強(qiáng)度和外觀質(zhì)量，達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象屢有發(fā)生。

3 發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中作用的途徑和策略

3.1 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中的前景研究

我國(guó)建筑施工企業(yè)要針對(duì)當(dāng)前城鎮(zhèn)化建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模和數(shù)量劇增的趨勢(shì)，深化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，不斷豐富設(shè)計(jì)思路，完善設(shè)計(jì)手段，通過(guò)利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、積極借鑒吸收國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)等方式，推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)能力、材料優(yōu)化、施工管理以及安裝工藝達(dá)到新的水平。

3.2 提升建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精細(xì)化水平

設(shè)計(jì)過(guò)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(diǎn)，充分考慮、落實(shí)設(shè)計(jì)因素和相關(guān)變化因素細(xì)節(jié)。在建筑物的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師要考慮整體結(jié)構(gòu)與各輔助結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，使鋼結(jié)構(gòu)的整體特征與各部分的特征優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮。工程設(shè)計(jì)中，在工程材料的選型方面，設(shè)計(jì)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(qiáng)重點(diǎn)部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)研究

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分抓住房屋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，重點(diǎn)從以下環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一是設(shè)計(jì)過(guò)程要充分考慮軸壓比和減重比等關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)與鋼材使用控制時(shí)，要充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的延伸性和結(jié)構(gòu)的安全性，降低豎向剛性裂變形成薄弱層的機(jī)率，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑坡和傾斜質(zhì)量事故。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模擬模型和沙盤演練，形成各種應(yīng)力的均衡分布，確保房屋整體結(jié)構(gòu)安全。二是在風(fēng)載與地震的荷載應(yīng)力設(shè)計(jì)中，要根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的不同，結(jié)合風(fēng)荷載地震荷載對(duì)建筑物形成的彈性力量大小，合理進(jìn)行力量分布，達(dá)到均衡性要求。三是在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要根據(jù)計(jì)算模型和房屋結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造、布置、造型以及鋼結(jié)構(gòu)總體荷載質(zhì)量的分布，充分考慮建筑場(chǎng)地地質(zhì)情況、地上地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型、沉降以及傾斜誤差等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

3.4 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)過(guò)程質(zhì)量管理

為加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)房屋工程施工過(guò)程管理，施工單位要組織開展施工圖會(huì)審，嚴(yán)格落實(shí)結(jié)構(gòu)科學(xué)設(shè)計(jì)的全面內(nèi)容，使所有崗位人員明確房屋建設(shè)質(zhì)量管理的重點(diǎn)、操作規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)格執(zhí)行施工質(zhì)量管理“三檢制”標(biāo)準(zhǔn)，確保施工質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失。要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量，制作過(guò)程要嚴(yán)格按照構(gòu)件材料、安裝方式及應(yīng)力平衡設(shè)計(jì)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，精細(xì)加工、精準(zhǔn)操作，為鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性優(yōu)化提供保障。同時(shí)，要建立健全質(zhì)量保障體系，把鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋的具體質(zhì)量控制指標(biāo)，通過(guò)以項(xiàng)目經(jīng)理為核心的項(xiàng)目管理組織機(jī)構(gòu)設(shè)置，為建筑的穩(wěn)定性提供保障。

3.5 強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的綠色環(huán)保及安全建設(shè)設(shè)計(jì)

強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綠色環(huán)保施工及安全性建設(shè)問(wèn)題，思路如圖1 所示。針對(duì)鋼材受自然環(huán)境和溫度濕度變化影響大的特點(diǎn)，針對(duì)鋼材長(zhǎng)期暴露在室外環(huán)境下容易生銹腐蝕的情況，需加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)所用材料防潮、防淋等設(shè)施建設(shè)和防護(hù)技術(shù)研究，確保使用質(zhì)量。要加強(qiáng)鋼材防腐加工管理過(guò)程中不同材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究，采用有效的防腐材料涂抹方式，滿足材料基礎(chǔ)性和保障性要求。要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)施工中噪音、光、電污染防治，針對(duì)施工材料切割、焊接產(chǎn)生聲光、噪音污染嚴(yán)重等現(xiàn)象，施工單位要采取設(shè)置隔聲門、隔聲窗、遮蓋帳篷等防護(hù)措施減少污染。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求

另外，還要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)施工安全作業(yè)管理。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)比較大的特點(diǎn)，制定周密的安全施工保障措施，制定安全事故的應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)施工人員的安全意識(shí)，明確安全隱患和防范重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)“大家族”的重要組成部分，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量與穩(wěn)定性是房屋建設(shè)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?，設(shè)計(jì)師要在鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)中樹立超前意識(shí)，提升建筑鋼結(jié)構(gòu)房屋精細(xì)化設(shè)計(jì)水平，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)研究。施工單位要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)過(guò)程的質(zhì)量管理，注重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的綠色環(huán)保及安全建設(shè)設(shè)計(jì)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性進(jìn)行充分考慮，確保鋼結(jié)構(gòu)房屋使用功能的穩(wěn)定和安全。