试论房屋结构设计中的常见问题及改进措施分析

2024-01-31高超

建筑与装饰 2023年24期

高超

中铁上海设计院集团有限公司上海 200070

引言

房屋结构设计是房屋建造的重要环节之一，它直接影响到房屋的安全性、稳定性和使用寿命。因此，房屋结构设计必须符合相关的规范标准，并且需要经过严格的计算和检验，以确保房屋的结构稳定和安全可靠。本文将从常见问题和改进措施两个方面对房屋结构设计进行分析和探讨。

1 房屋结构设计中的重要性

房屋结构设计是房屋建造的重要环节之一，它直接影响到房屋的安全性、稳定性和使用寿命。房屋结构设计的重要性主要表现在以下几个方面：房屋结构设计必须符合相关的规范标准，并且需要经过严格的计算和检验，以确保房屋的结构稳定和安全可靠；房屋结构设计应该考虑到房屋的使用寿命，合理选择材料和结构形式，以延长房屋的使用寿命；房屋结构设计应该考虑到房屋的舒适性和节能性，合理设计房屋的通风、采光、隔音等方面，以提高房屋的舒适性和节能性；房屋结构设计应该考虑到房屋的经济效益，合理控制建造成本，以提高房屋的经济效益[1]。为了满足实际使用功能要求和设计要求，应在结构设计时充分考虑建筑物所承受的荷载类型、大小以及分布情况等因素，根据具体情况选用相应的结构类型和布置方式。同时应根据实际情况确定合理、科学、经济合理的结构形式和截面尺寸等参数，并确保结构强度、刚度和稳定性满足房屋建筑工程安全性要求。

2 房屋结构设计中的常见问题

在房屋结构设计中，常见的问题包括抗震设计不足、耐久性设计不够、强度设计不合理、结构布局不合理、局部元素设计不当和材料选择不合理等。这些问题可能会导致房屋在使用过程中出现各种安全隐患和功能失效。首先，抗震设计不足是一个普遍存在的问题。当地震发生时，不合理的抗震设计可能导致房屋结构的破坏，甚至倒塌。为了解决这个问题，设计师需要对地震力进行充分的分析和计算，并采取适当的抗震措施，如增加结构的刚度和强度，使用抗震支撑系统等。此外，耐久性设计不够和强度设计不合理也会影响房屋的使用寿命和安全性。房屋结构在长期使用中可能会受到自然环境、机械荷载等的影响，导致结构的损坏和破坏。为了解决这个问题，设计师需要考虑结构的耐久性和强度，并选择适当的材料和施工方法。另外，结构布局不合理、局部元素设计不当和材料选择不合理也会影响房屋的整体性能和稳定性。合理的结构布局可以提高房屋的空间利用率和结构的稳定性，而不当的局部元素设计和材料选择可能导致结构的薄弱点和功能缺陷。为了优化房屋结构设计，可以采取一系列改进措施。优化结构寿命可以通过考虑结构的耐久性和维护性，选择合适的材料和施工方法来延长房屋的使用寿命。整体与局部设计优化可以通过优化结构的布局和局部元素的设计，提高房屋的整体性能和稳定性。框架结构设计优化可以通过增加结构的刚度和强度，提高房屋的抗震能力。上部结构优化可以通过合理选择上部结构的材料和施工方法，提高房屋的防水性能和耐久性。

3 房屋结构设计中的改进措施

3.1 优化结构寿命

在实际的房屋建筑施工过程中，由于技术水平、施工管理等方面存在问题，使得建筑的结构抗震性能较差，不能满足人们的使用需求。在当前我国地震频发的大环境下，加强对房屋结构设计的重视，采取有效措施降低地震灾害所带来的影响和损失，优化房屋结构寿命成为当前社会发展过程中所关注的重点问题。在进行房屋结构设计时，应严格按照相关规定进行，并且需要充分考虑当地的地震活动情况，合理设计抗震设防烈度和设防水平。此外还需要加强对建筑材料的合理选择，在满足设计要求的前提下，尽量采用强度高、耐久性好、质量轻以及价格低的材料。还应重视对建筑构件进行质量检测和维护保养，防止建筑构件在使用过程中出现变形或损坏[2]。

在进行房屋结构设计时需要注意以下几点：首先要选择合适的房屋结构类型；其次要加强对房屋建筑基础设施的建设和维护管理；再次要加强对房屋建筑施工材料及设备质量的管理；最后还需要加强对房屋建筑施工技术与施工质量的控制。在实际的房屋建筑施工中，需要根据当地地震活动情况进行房屋结构设计方案优化。如在我国，地震活动强烈、分布不均、分布复杂、发生频繁，导致很多地区在建设时都会选择抗震能力强且便于施工的抗侧力体系[3]。在进行抗侧力体系设计时应考虑以下因素：第一，要根据建筑物所处地区实际情况确定结构形式；第二，要合理选择抗震性能强且不易损坏的建筑材料；第三，要优化结构体系。

3.2 整体与局部设计优化

在房屋结构设计中，可以采取以下改进措施来提高整体与局部设计的优化：通过优化结构设计，可以减少材料的使用量，提高房屋的承重能力和抗震性能，从而提高房屋的安全性和稳定性；新型材料具有轻质、高强度、防火等特点，可以减少房屋的自重，提高房屋的抗震性能和耐久性，从而降低房屋的维护成本；通过优化建造工艺，可以提高建造效率，降低建造成本，减少施工过程中的浪费和损失；智能化技术可以提高房屋的舒适度和安全性，如智能化门锁。智能化照明系统、智能化安防系统等；在房屋设计中，可以设计多功能空间，使得房屋的空间利用率更高，同时也能提高房屋的舒适度；采用可再生能源可以降低房屋的能源消耗，减少对环境的影响，同时也能降低房屋的运营成本；可持续建筑设计是一种以减少环境影响为目标的设计方法，通过优化建筑材料、能源利用和水资源管理等方面，实现对环境的最小化影响，同时提高房屋的舒适度和健康性；先进的建筑技术包括3D打印、预制构件、模块化建筑等，这些技术可以提高建筑效率和质量，同时减少浪费和成本；人性化设计是指在房屋设计中考虑到人的需求和行为，例如设计符合人体工学的家具、充足的自然采光和通风等，这些设计可以提高房屋的舒适度和健康性；绿色屋顶是指在房屋屋顶种植植物，可以提高房屋的保温性能和空气质量，同时还能减少雨水径流和城市热岛效应；智能化管理系统可以实现对房屋的远程监控和管理，例如远程控制温度、湿度、照明等，这些系统可以提高房屋的舒适度和安全性，同时降低运营成本。综上所述，房屋结构设计中的改进措施是多种多样的，可以根据不同的需求和目标采取不同的措施，以实现房屋的优化设计和最大化的效益。

3.3 框架结构设计优化

房屋建筑设计中，选择合适的结构体系和质量较好的钢筋混凝土结构是减少地震灾害损失最有效的方法之一。我国现在使用比较多的结构体系有砖混结构、框架-剪力墙结构、框架-筒体结构等，而质量较好的钢筋混凝土结构主要有框架-剪力墙结构和框架-筒体结构。在进行房屋建筑设计时，要综合考虑当地地质条件和气候因素，选择合适的建筑材料，尤其是对于容易发生地震灾害地区的房屋建筑，要选用质量较好的钢筋混凝土材料。除此之外，还应考虑到房屋建筑使用功能要求，对于一些居住功能要求较高的建筑物可以采用砖木结构、砖混和框架-剪力墙等。通过合理选择房屋建筑设计中的钢筋混凝土材料可以提高房屋建筑抗震性能。

框架结构的优点是：整体性好，结构布置灵活，平面内刚度均匀；能够充分利用柱的截面，能较好地满足建筑布置对柱截面尺寸的要求，框架柱一般采用工字钢和H型钢；抗震性能好。框架结构体系的缺点是：刚度大，层间位移大，易发生严重的扭转效应；建筑平面内刚度不均匀，容易发生扭转破坏；框架柱承受着很大的轴压比荷载，因而较易产生较大的塑性变形；框架结构体系中的梁柱节点，除受轴向压力外，还同时承受弯矩和剪力；对基础设计要求高。框架结构体系适用于多层及高层建筑结构中，也适用于抗震设防烈度为6-9度的地区。但设计时要注意框架结构不能只考虑其抗弯作用而忽略其抗剪和抗扭作用，更要注意其变形能力。

框架梁截面尺寸及配筋设计优化：在实际工程中，常见的框架梁截面尺寸为500mm×500mm或500mm×550mm，钢筋为2.5-3.5级钢筋。配筋方面主要存在以下问题：第一，如果采用多跨框架梁计算时，会出现梁端截面配筋偏小的现象；第二，如果采用角柱计算时，会出现梁端截面配筋偏小的现象；第三，如果采用柱端截面配筋率小于0.25%时（当柱截面面积为250～350mm2时）会出现柱端轴力偏小的现象；第四，如果采用角柱计算时，会出现梁端弯矩增大的现象；第五，如果采用柱与梁连接方式计算时（当柱直径大于600mm且配筋率小于0.25%时）会出现梁端截面受剪偏大的现象。因此在设计框架结构时应尽量减少框架梁的跨度，降低截面尺寸。

板与墙连接部位构造优化：在进行框架结构设计时应注意对板与墙连接部位构造进行优化设计。第一，对于填充墙和柱帽，要注意其长度以及洞口位置的确定；第二，对于填充墙与框架梁之间连接部位要加强配筋；第三，对于填充墙与柱之间连接部位要增加箍筋。由于在实际工程中，填充墙与框架梁之间大多没有设置钢筋混凝土圈梁来加强其整体性，因此在进行设计时要注意对圈梁的构造进行优化设计。

剪力墙结构是指用钢筋混凝土承重的墙体来承受竖向荷载，并将其分解为若干部分，使其成为一个整体。剪力墙结构主要有以下优点：由于墙体是主要的抗侧力构件，结构刚度大，整体性好，抗震性能好；墙与柱的协同工作能力强，受力合理；剪力墙结构的建筑平面布置灵活，可以形成不同的空间结构体系；剪力墙结构具有良好的延性和耗能能力，适用于地震区；剪力墙结构中各部分构件受力明确、传力途径明确；剪力墙结构能较好地满足建筑平面布置、使用功能、立面造型等方面的要求；剪力墙结构抗震性能好，可用于抗震设计时作为主要抗侧力构件的结构；剪力墙结构是一种适合于高层建筑的结构形式，在设计时应尽量采用剪力墙结构。

3.4 上部结构优化

合理的平面、立面布置，对提高建筑的空间使用效率，充分发挥建筑物的使用功能具有重要作用。如房屋的建筑高度、层数、层高等，都与房屋的平面、立面布置密切相关。在设计时，应充分考虑建筑物平面、立面的布置，使房屋具有良好的空间效果和视觉效果。在确定建筑结构类型时，应结合建筑功能要求、空间尺度、场地条件等因素合理选择结构形式。在房屋设计时，应尽量采用整体稳定，承载能力高的结构形式，避免采用自重大、使用荷载大、施工难度大等问题的结构形式[4]。同时应尽可能降低工程造价，提高房屋建筑的经济效益和社会效益。通过优化上部结构的设计，可以提高房屋的通风、采光等环境因素。例如，在设计房屋的屋顶时，可以考虑采用天窗或者开放式的设计，增加室内的采光和通风。此外，可以利用屋顶的斜面设计，增加房屋的天然通风效果，减少空调的使用，提高能源利用效率；在设计房屋的屋顶时，可以考虑采用绿色屋顶或者太阳能板，增加房屋的隔热效果和保温性能，减少室内温度波动，提高房屋的舒适度。总之，通过优化上部结构的设计，可以提高房屋的环境因素、舒适度和美观度，为居住者创造更加宜居、舒适和美好的居住环境。