土木工程結構設計中實現安全性與經濟性的措施探析

楊國華

（山東協和學院，山東 濟南 250107）

土木工程在建筑領域占據重要地位，概括來講建筑工程大部分都與土木工程息息相關，因此各大建筑公司和施工企業應當不斷提升土木工程結構設計和建造能力水平，強化土木工程質量，才能夠推動建筑行業欣欣向榮發展，為服務社會、服務大眾發揮建筑工程優勢。在土木工程中，結構設計是建造土木工程的關鍵環節，土木工程結構設計的安全性和經濟性對整體工程建設起到了重要影響，不僅關乎建造質量，更是關乎廣大民眾的生命安全。因此研究土木工程結構設計的安全性和經濟性問題具有重大現實意義，廣大建筑公司和施工企業應當將安全性和經濟性放在建設的重要位置，積極探索和采取有效措施，不斷提升土木工程結構設計的安全性與經濟性。

1 土木工程結構設計概念和必要性

1.1 土木工程結構設計的概念

在我國建筑行業，土木工程結構設計通常是指采用合理、科學、現代的方法，根據建筑大小標準、選擇合適的建筑材料，以建筑骨架的形式來有效抵御建筑結構承受的作用力、抵御自然災害，主要利用建筑結構基礎、建筑墻、建筑柱，以及建筑結構中的梁、板，還有樓體等結構要素來規劃和設計建筑工程的結構系統，使得建筑更加牢固、安全。

1.2 土木工程結構設計的必要性

土木工程結構設計的必要性主要體現在以下幾個方面：一是保障整個土木工程質量的基本前提，在土木工程的施工和建設之中，前期的結構設計相當于整體工程的“骨架”，而后續裝修裝飾和美化施工相當于整體工程的“皮膚”，只有搭建好了“骨架”才能使得“皮膚”良好附著，使得整體工程“煥發生機”，一旦“骨架”搭建出現了問題，那么整體工程的質量和效果將會大打折扣，問題較輕可以通過修復的方法來修正問題，如果情況嚴重只能重新完成建設，因此土木工程結構設計是保障土木工程質量的基本前提，必須要提高設計的安全性和經濟性，增強設計的科學性與合理性，在設計中要仔細考量，杜絕各類安全隱患，提高土木工程建設的經濟效益；二是牢筑整體土木工程結構安全的基本保證，土木結構設計通過利用現代建筑學中的理論知識，結合土木工程實際建造情況和建造需求，站在科學的角度全盤考慮設計，以降低土木工程在建設中、交付中以及未來使用中面臨的各類安全風險，從而保障土木工程建設的安全性，為人們的生命安全、財產安全提供有力保障，為建設企業和施工企業規避經濟損失，因此土木工程結構設計是牢筑整體工程結構安全的基本保證。

2 土木工程結構設計安全性與經濟性的關聯分析

土木工程結構設計中，其安全性設計和經濟性設計之間互為聯系，二者缺一不可，具體而言二者的關聯主要體現在以下幾個方面：一是土木結構的安全性是提高經濟效益的前提，因為只有保障建筑工程運行穩定、保障使用土木建筑的群眾生命財產安全，才能提高整體土木工程的經濟效益，一旦土木工程在結構方面存在安全隱患，那么將會對相關企業和社會造成重大經濟損失；二是土木結構的經濟性與安全性是矛盾統一的整體，因為如果過度強調結構設計的安全性，那么將會使得結構設計的經濟性降低，換言之就是會增加結構設計的成本與費用，但是如果過度強調項目建設的經濟性，那么將會使得土木工程結構的安全性降低，這與整體土木工程質量和安全重要性相背離。因此，在土木結構設計中應當重點關注經濟性與安全性的有機統一，科學協調經濟性和安全性，使得二者之間相互平衡，在保障安全性的基礎上適當考慮經濟性，假如設計單位的設計水平較高，可以在保證結構設計質量與安全的情況下提高施工效率和材料利用率，在結構設計安全性能保障的情況下，可以通過減少不必要的結構設計來實現土木工程建設成本降低。

3 土木工程結構設計中提升經濟性與安全性的措施

3.1 土木工程結構設計中提升經濟性的措施

3.1.1 選擇合理科學的標準圖集設計

想要提升土木工程結構設計的經濟性，相關設計單位在結構設計當中應當選擇合理科學的標準圖集進行設計，在設計的時候采用標準圖、采用行業標準的圖像和標識，使得結構設計的穩定性與合理性得到有效保障。但是針對一些要求特殊、規模大、工期長的土木工程建設，并且涉及的工藝復雜的時候，設計單位應當按照工程實際情況選用與之相對應的圖集來完善結構設計，從而實現提高經濟效益的目的。

3.1.2 嚴格落實限額設計

土木工程結構設計應當有一定的預算，嚴格落實限額設計可以避免設計超支，在合理的預算內實現結構設計安全性和經濟性的統一。因此，相關設計單位在進行結構設計之前應當加強與業主單位和建設單位溝通，明確整體預算和結構設計預算限額再開展設計工作。

3.1.3 盡量規避結構設計變更出現

在土木工程建設當中，設計變更較為常見，并且變更的原因主要是受到業主方、建設方、施工方等多方的意見影響，或者溝通不暢而導致，所以在實踐當中，設計單位應當盡量避免結構設計變更出現，通過與各單位加強溝通協作、認真考察建設環境、仔細分析建設要求，做好設計前的準備工作，從而有效規避設計變更，減少因為變更產生的不必要成本。

3.1.4 利用鋼結構進行科學設計

在土木工程結構設計當中，現代化的土木結構設計通常采用鋼結構設計來有效改善建筑結構的穩定性和耐久性，同時鋼結構與木質結構等相比更具優勢，具有良好的抗震性。因此如果在滿足建設方或業主方的需求時，設計單位可以多采用鋼結構設計，一方面鋼結構便于施工安裝，截面面積也相對較小，有利于提高施工效率，另一方面鋼結構成本相對較低可控，可以降低施工成本。

3.2 土木工程結構設計中提升安全性的措施

3.2.1 積極推廣和應用先進的技術、先進的結構

想要提升土木工程結構設計的安全性，可以積極關注行業動向，積極關注前沿的設計理念和思想，應用科學、先進的結構施工技術，選用新型結構材料等，使得土木結構設計更加安全、科學和先進。具體而言可以從以下幾個方面來開展實施：

一是相關設計單位在設計工作開展前要深入調查建筑市場，一方面要重點關注行業動向，了解相關新型材料、先進的施工技術和結構設計技術等，認真分析研究土木工程結構設計發展趨勢，增強設計的先進性與科學性，避免因為設計落后而導致設計的安全性降低。

二是建設和施工單位應當在施工當中按照設計要求積極應用新型材料和安全系數高的建筑材料。在土木工程建設當中，如常見的鋼筋混凝土結構需要用到大量的鋼筋混凝土材料，所以混凝土的質量對整體項目的安全程度、項目質量產生直接影響，因而應當根據實際情況選用先進新型的混凝土材料，例如纖維混凝土，此類混凝土與傳統的混凝土相比抗拉程度、延展程度以及抗剪程度都要高出很多，可以大大提高混凝土結構的耐久性和強度，其安全系數更高。此外，還可以積極改進施工工藝和技術，例如新型預應力技術，與傳統的預應力技術相比，能夠使得預應力筋的粘結或無粘結預應力相對應，從而產生較小的摩擦損失，其中體外預應力技術可以使得結構剛度得到改善與提高，增強抗裂性能。

3.2.2 根據科學合理的參數進行設計

由于土木工程結構設計具有復雜性特征，并環節步驟較多，內容廣泛，所以想要提升土木工程結構設計的安全性，就應當對結構設計的各個環節相關參數加強控制，比如相關施工人員、施工機械設備以及施工相關材料等，如果設計單位沒有對設計參數嚴加把控，很容易在實際建設施工中引發一些安全事故，所以必須要嚴格把控設計參數，尤其是結構的軸壓、剛度、剪重比等關鍵性參數。

3.2.3 結構設計說明進行細化完善

想要提升土木工程結構設計的安全性，相關設計單位應當在規劃編制設計圖紙的時候，詳細注明相關結構設計說明，呈現詳實細致的結構設計說明，避免施工人員因為不清楚設計說明而錯誤施工，降低結構設計的安全性。首先設計說明應當全面包括施工工藝方案、施工要點、施工基本信息，從而為施工提供可靠依據，推動施工人員順利進行技術交底，從而提高施工質量，保障項目工程安全性；其次是在編制相關說明的時候要注重表述關鍵性問題和要點問題，簡潔明了的說明結構設計的關鍵點，避免施工人員因為不清楚、不理解而影響工程質量與工程進度。

4 土木工程結構設計提升安全性與經濟性案例分析

前文詳細分析了土木工程結構設計中經濟性與安全性關系以及提升的策略，接下來筆者將以具體的項目案例來分析對比不同土木工程結構設計所體現的安全性和經濟性。

4.1 項目概述

該項目為廠房建筑，其土木工程結構設計如下：結構總長度120 m，檐口高度15 m，屋架跨度為 27 m；設定其防震類型為丙類，防烈度為6級；當地的基本風壓通過測算得出為0.8 kN/m2，經現場勘察可知，土類別為Ⅲ類場地土，地基土容許承載力[σ0]≤250 kPa的粘性土和[σ0]≥130 kPa的填土。

4.2 結構設計方案比較分析

4.2.1 土木工程結構鋼結構設計方案

在這一設計方案中，全面采用鋼結構來進行建造，梁采用 H 型鋼梁，柱子采用箱型的鋼柱，屋架桿件設計注重壓桿短、拉桿長，并且屋架桿的受力相對合理，且可分為兩個小桁架來進行制作，運輸也較為方便，屋架形式以及幾何尺寸如圖1所示。

圖1 屋架形式和尺寸

同時，由于廠房的長度是大于60 m的，而且跨度是27 m，綜合考慮應當在廠房柱間設置水平支撐，因此在第二柱間設置上弦水平支撐，在廠房中部設置垂直支撐和下弦橫向水平支撐，并且在各個支撐間設置三道系桿。根據相關數據，通過設計軟件可以對其鋼結構進行計算，計算出的相關參數如表1所示。

表1 鋼結構方案相關參數

4.2.2 土木工程結構鋼混結構設計方案

鋼混結構與鋼結構最大不同點在于采用了大量的混凝土材料，并且還設置了框架結構方柱，方柱的截面不同，相關參數如下表2所示。由于采用鋼混結構，因此參數僅涉及軸壓比方柱配筋率和方柱最大軸壓比。

表2 鋼混結構方案相關參數

4.2.3 二者設計方案經濟性對比

首先從結構設計層面來說，鋼結構設計由于全面采用鋼材材料，其工業化程度非常高，而且從施工層面而言鋼結構的施工程序、施工工藝簡單，因此施工進度較快，在不考慮主觀因素和不可控因素的情況下，20～30 d之內可以完成施工，而鋼混結構設計由于需要用到混凝土，混凝土澆筑施工工序復雜、工期長，并且還需要模板支撐，因此整體施工期需要延長，需要40～50 d能夠完成，并且混凝土澆筑容易受到天氣影響。其次從材料層面來說，雖然鋼材價格要比混凝土價格高一些，但由于鋼結構設計整體工期短、施工效率高，因而整體造價要比鋼混結構設計的造價要低，所以鋼結構設計的經濟性相對較高。

4.2.4 二者設計方案安全性對比

從設計的安全性來說，由于二者都采用現代建筑工藝，且都使用鋼結構，所以其穩定性、耐久性以及抗震性都較高，整體土木工程項目質量都有保障。

4.3 結論

通過對比可知，鋼結構設計和鋼混結構設計的安全性基本一致，二者的安全性都比較高，整體土木工程的質量比較有保障；從經濟性層面而言，鋼結構設計可以有效提升施工效率，甚至縮短施工建設時間，整體造價相對較低，因此采用鋼結構設計可以有效提高土木工程建設的經濟效益。

5 結語

綜上所述，隨著我國社會經濟迅猛發展，土木工程各類項目數量長期呈上升趨勢，同時國家和社會對其施工的安全和質量提出了更高要求的標準。在這樣的背景下，土木工程結構設計應當全力平衡設計的經濟性和安全性，一方面要合理布局規劃，另一方面要堅守相關規定和標準的設計底線，在保障土木工程質量和安全的基礎上提高經濟效益，從而推動建筑行業發展。