民用建筑結構設計的安全與經濟

【摘要】在民用建筑結構設計中，設計的安全性和經濟性是結構設計人員必須考慮的基本問題。本文基于如何保證結構設計的安全性和經濟性的論述，辯證地闡述了安全和經濟的協調在結構設計中的關鍵作用，并提出了相應的處理措施。

【關鍵詞】結構設計；安全性；經濟性 協調措施

1 引言

在民用建筑領域，一旦出現了安全性工程事故，不僅給國家帶來巨大的直接經濟損失和無以量計的間接損失，更是給社會公民帶來了不必要的不便，甚至致命性的災難。在這些工程設計中，有不少事故是因結構設計引起的。考慮到工程質量責任終身制的特點，不少結構設計人員為避免擔當責任而設計出過于保守的結構，這給工程造成了不必要的浪費。因此，如何保證工程結構的設計體現既安全又經濟合理的特性，是結構設計人員要深入思考的一個問題。本文在論述了結構設計的安全性和經濟性的基礎上，闡述了合理協調安全性和經濟性的有效措施。

2 結構設計的安全性保證

為保證結構設計的安全性，首先要從設計過程的管理層面抓起。在實際管理過程中，應充分考慮設計單位的業務素質，包括是否掌握最先進的設計理論及設計方法、是否擁有最先進的設計設備、是否具有高素質的專業設計人員等方面。因此，為了保證有高質量的設計成果，就應該選擇資質等級高、實力強、管理先進的設計單位。此外，設計質量與設計人員對設計理論、設計方法的掌握程度直接相關。而且，針對民用建筑常用的鋼筋混凝土材料，人們對其的整體認識是處于不斷完善的過程，鋼筋混凝土結構設計計算理論不斷發展，結構形式不斷推陳出新，設計規范也不斷修改完善。設計人員既要熟練掌握現有的設計理論及方法，又要不斷更新自己的知識體系，使自己始終處在本專業知識的前沿。因此，在安全設計的管理層面，還應該注重不斷提升設計人員的綜合素質，促進設計人員不斷加強理論學習，確保設計人員能熟練掌握設計計算理論及方法。

結構設計的安全性保證還體現在設計過程中。一般來說，設計者考慮到的設計計算項目都能滿足安全要求。但經過對多起設計事故的分析可以發現，設計事故多數是由設計者疏忽而漏掉某個項目引起的。如某設計院設計的大跨度樓板，在正式使用前，樓板就出現了裂縫。核查設計資料發現，原設計沒進行裂縫寬度驗算，而核算結果恰是裂縫寬度超限。因此，在結構設計中，應確保設計的不漏項。考慮到現場施工人員的整體素質差異大，設計者應該本著吃苦耐勞、嚴謹細致的態度，對某些細節詳加說明。舉例而言，設計文獻上一般不對鋼筋接頭進行說明，而一批鋼筋的長度又都相同，施工素質低的施工人員往往將鋼筋在同一構件斷面上接長，這不符合規范上關于同一斷面鋼筋接頭根數不超過總根數的50%的焊接規定。

顯然，結構設計的安全性保證需要體現在結構設計的全過程中，因此，為保證結構的切實安全，設計人員應該及時跟蹤施工，對發現的問題及時修改設計。設計文件審核實施后，設計單位與施工單位要保持聯系，甚至派專人在現場監督指導施工，及時糾正施工人員的理解錯誤，對發現的問題要及時核對設計，發現錯誤及時改正。

3 結構設計的經濟性保證

與安全性要求具有相同之處的是，結構設計的經濟性保證也應首先從管理層面做起。針對結構設計的前期招投標工作，應進行公平、公正、公開的招投標過程，對設計方案進行評比、論證。在確保安全的基礎上，重點考察經濟性，兼顧美觀等，優中選優。只有這樣的招投標工作，才會促使設計單位盡可能拿出最經濟的設計方案，以節約開支。在結構設計過程中，經濟性的管理性保證工作，還包括切實協調好相關部門的關系，以大局為重，克服本位主義。一個工程往往與其他單位發生關系，比如提供數據、拆遷等。如果這些單位能以大局為重，積極配合，將大大減少工程費用。否則，不僅會延誤工期、增加工程費用，甚至直接造成設計的過度保守，導致設計費用以及工程造價大幅提高。

此外，結構設計的經濟性體現在設計過程中。一方面，設計人員不要一味采用標準圖。采用標準圖能大大降低設計工作量，加快設計進度，減少設計錯誤。但由于沒經過計算，為保證安全，只好采用高標準系列。所以，采用標準圖一般都比較保守。對小工程來說，設計工作量占總工程量的比例較高，計算設計壓縮費用較小，標準設計可增加標準模具的可適用性，施工人員對標準件的施工熟練程度較高，施工進度會較快，提高結構的經濟性。而對大中型工程則不同，大中型結構構件的體積大、數量多，一點小小優化就可能使造價大大降低。所以，設計人員應有吃苦耐勞的精神，對可能壓縮費用的地方進行仔細核算，在保證安全的基礎上，爭取拿出最經濟的設計方案。另一方面，設計過程中應注意減少多參數設計時的安全累積。鋼筋混凝土結構構件設計是個多因素問題，涉及材料選擇、截面形狀、尺寸、鋼筋用量、合理布置等，所以，對于同一荷載，設計結果并不惟一，但必須滿足構造和強度要求。在此基礎上，應該使構件美觀經濟。構件的初步設計，由承載能力極限狀態控制，即荷載效應不利組合的設計值小于或等于結構抗力效應設計值，即S（G，Q）≦rR。顯然，該方程只能確定一個參數，且由等式確定的值最經濟，我們可以把它稱為必要值，而實際采用值要使構件抗力效應有所增加，稱它為實值。多參數設計時，往往利用常用比例關系，用一個參數表示其他參數，然后用上述方程求此參數的必要值，而其他參數的必要值應該由此參數的必要值求得，而不應該由實值求得。如果用實值求，則會造成浪費或不安全。

4 注重結構設計安全與經濟的和諧統一

對于民用建筑結構設計而言，其設計目標首先就是對建筑的安全負責，即保證建筑的主體可以滿足使用要求，并符合安全性需求。但是，隨著經濟發展的要求，建筑的經濟性也在工程中占據了主要的地位。由此，民用建筑的結構設計就不得不對安全性和經濟性進行綜合評估，并以二者的平衡為目標進行設計實施。這種設計需求是在市場經濟發展中對建筑結構設計的必然要求。

從實際的工程經驗來看，沒有經濟性約束的設計將造成設計結果與投資限制的差距增加，如：混凝土結構在設計中確保結構安全可靠，因此按照規范進行設計和計算，但是從設計和施工中發現，結構安全性的提高往往會增加成本投入，即安全性與經濟性是相互矛盾的兩個主體。現行的混凝土結構設計規范中，主要是通過提高材料的質量提高來增加安全性能，而不是依靠材料數量的增加來提高安全度。在此種要求下，綜合經濟性要求，設計者應對材料的性價比進行比較，這就是一種綜合安全性和經濟性的設計思路。

衡量經濟性的重要指標，就是建筑的強度與成本的比較。即在設計中達到某種強度時所消耗的成本是多少，而相反，在某種經濟條件限制下，如何達到規范要求的結構安全度。在此種要求下，經濟性與安全性就成為了平衡結構的重要依據，在實際的操作中應當進行協調。如在混凝土結構設計中，衡量鋼筋的經濟性指標，即強度價格比，利用具體的價格與強度比來體現混凝土結構的經濟性和安全性。在設計中可以采用高強度低密度的配筋，或者采用低強度高密度的配筋形式，以此調整經濟性與安全性之間的關系，綜合考慮結構本身的形式，從而選擇較為協調的混凝土結構設計模式，以此獲得較好的性價比。

5 實現結構設計安全與經濟和諧統一的有效措施

實現結構設計安全性和經濟性和諧統一的措施是多種多樣的。筆者認為，一方面充分把握結構設計主體內容即設計過程，運用創新性思想，可有效綜合提升結構設計安全性和經濟性；另一方面，認清安全性和經濟性的影響因素，從理論上研究安全性和經濟性的協調關系，建立筆者提出的安全性與經濟性最優協調度，對指導設計人員綜合提升結構設計的安全性和經濟性有長遠的積極作用。

一方面，注重結構過程上的創新對提高結構設計的安全性和經濟性均有積極影響，這要求設計人員基于專業基礎扎實的前提下深入創新過程。人們常將一個結構設計者所具有的工程結構、力學概念及其理論水平合稱之為技術水平，這是有道理的，原因是在任何一項結構創新設計中它們皆不可缺。就概括而言，清晰的力學概念能對新方案、新結構、新構造作出能否成立的基本判斷，豐富扎實的工程結構概念能從實施角度對新方案、新結構、新構造的實施可行性提供辦法并給出結語，而全面實施新方案、新結構、新構造則是需要堅實的技術水平一步步克服困難直到設計完成。在設計過程中，人們用概念設計和運算設計來概括分類以上過程，設計人員應該注重兩者的相互穿插和互聯并進，深入概念分析和推理判斷，在質疑比較中前進，實現運算設計和概念設計的雙重創新過程。一旦設計人員能夠在設計過程中注重創新，一方面表明設計人員具備了深厚的設計功底，能充分把握結構本身的安全性能，對提高結構安全性有重要作用；另一方面，結構設計中的創新使得設計人員能夠運用最合理的結構形式、構件截面形式，充分發揮結構材料的性能，減少結構材料的浪費，直接提升了結構設計的經濟性。

另一方面，從哲學思維角度看，解決問題的關鍵因素在于內因。就結構設計的安全性和經濟性協調問題而言，其表征為安全性和經濟性內在矛盾的原因。因此，深入探究結構設計安全性和經濟性的相互關系，對提高兩者的協調具有重要意義。結構設計中經濟性和安全性的矛盾是設計人員面臨的一個突出問題。一般而言，安全性的上升會帶來經濟性的下降，反之亦然。參考其他領域對突出矛盾的做法，筆者建議可以建立可靠的安全協調數據庫，提取可靠的協調度供設計人員參考。協調度是度量系統之間或系統內部要素之間在發展過程中彼此和諧一致的程度，體現了系統由無序走向有序的趨勢，是協調狀況好壞程度的定量指標。安全性與經濟性協調度是衡量某特定不同安全階段下結構的經濟狀況與結構的安全特性之間的關系，即定量描述在一定的安全要求下經濟狀況與具體安全要求之間的的耦合關系。按照可持續發展的倫理思想，優秀的結構設計目標是結構安全性與經濟性的協調統一，是否達到預定的目標，衡量的標準是結構的安全經濟協調度。最優協調度是安全性與經濟性的最佳組合狀態，理論上分析安全性與經濟性之間存在最優協調度。需要指出的是，由于表征安全度的安全系數存在一個合理的范圍，且影響結構的經濟性的不確定因素也很多。因此，在安全性一定的區域內，安全性與經濟性的最優協調度不是一個確定值而是一個區間值。

需要指出的是，因不同區域對安全性和經濟性采用的指標和評價方法有所不同，因此不同區域確定的安全性與經濟性的最優協調度很難具有可比性。某一特定區域的最優協調度不能充當全國范圍內的最優協調度。此外，在建立最優協調度的過程中，不僅應該考慮結構的直接安全性和經濟性，還應考慮到可能影響安全性和經濟性的關鍵因素，合理制定持續發展的安全性與經濟性最優協調指標，以滿足專業結構設計人員一定范圍內的使用有效性。

6 結論

綜上所述，設計人員應該充分重視民用建筑結構設計中的安全性和經濟性提升。在切實理解和把握單一提高結構設計安全性或經濟性的基本方法后，還應該特別注重安全性和經濟性的和諧統一，以促進結構設計的科學可持續發展進程。就具體而言，提高結構安全性和經濟性的理論思路是把握結構設計管理和結構設計過程兩個層面，做到管理上的科學，杜絕不必要的管理不到位、管理混亂，抑或管理過剩而引起安全性與經濟性的損失，同時做到設計過程中各要素的切實把握，避免不必要甚至不科學的設計細節，加大設計過程的創新力度。此外，通過對結構設計安全性和經濟性理論研究的推進，建立安全性和經濟性的協調度數據庫，提取出最優協調度，也對全面提升結構設計的安全性和經濟性有重要促進作用。

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作者簡介：

崔鵬翔（1979—），男，漢族，甘肅民勤人，甘肅土木工程科學研究院工程師，獲國家二級注冊結構師證書。