探微土木工程結構設計中的安全性與經濟性

陳松庭

在土木工程中，土木工程結構設計占據著至關重要的地位。在結構設計過程中要考慮到設計的安全性和經濟性，土木工程結構設計必須有效滿足建設項目的要求。本文首先對土木工程結構設計中的問題進行了分析，然后提出了優化土木工程結構安全性管理的有效策略，進而對土木工程結構設計經濟性控制措施加以闡述。

土木工程結構設計的安全性和經濟性直接影響著整個工程的經濟效益和社會效益。土木工程結構設計最重要的是要保證結構設計符合建筑標準，土木工程師需要按照結構設計的要求來確保整個工程的質量。

一、土木工程結構設計中的問題

近年來，由于結構設計不當造成的安全事故頻頻發生：地鐵下陷、樓盤倒塌等，這使人們再次關注到設計的重要性。為提高結構設計的安全性和經濟性，首先要分析目前結構設計中的普遍性問題，再設計科學合理的解決方案以提高結構設計的合理性及有效性。目前，工程結構的設計主要存在以下問題：

1.結構穩定性較差

結構的穩定性和變形能力將直接影響到建筑物是否容易造成傾斜或者倒塌。穩定性當中包括了建筑的耐久性以及安全性等綜合素質，例如2019年8月28日深圳一小區樓房倒塌，據專家組現場研判后初步認為：因房屋基底土層較差，在暗渠水流常年作用下引起樁身周圍的水土流失和樁身的腐蝕，最終造成樁基礎發生脆性破壞，導致樓體局部傾斜下沉。因此，土木工程構件設計中的穩定性研究和變形能力的保證必須引起設計者足夠的重視。

2.耐久性不足

耐久性保證了建筑物能夠在規定的使用年限內保持正常的使用功能。我國疆域遼闊，每個地區的地質條件和環境特征也會發生許多變化。如果在建筑設計中，設計者未充分考慮到環境因素的影響，則會發生建筑物腐蝕或開裂等問題，從而影響建筑物的使用壽命并降低其耐用性。

3.抗震性能較低

我國屬于板塊變動較為強烈的區域，經常受到地震的影響。因此，為了確保工程的安全性和經濟性，設計人員有必要對建筑結構設計進行評估和檢測工程的抗震性能，建筑物才能夠做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。但是，抗震設計中設計人員經常忽略抗震的構造要求，在地震來臨時，會造成承重墻倒塌而威脅人類生命。

二、優化土木工程結構安全性管理的有效策略

1.完善土木工程結構設計方案

為提高項目的安全系數，結構設計要有完整的項目策略并優化設計理念，創新設計思路，重點要把握好結構設計中的不穩定因素，以更好地實現控制和降低設計風險的目標。

2.定期全面安全檢測土木工程

為提高項目的安全性，設計單位應構建嚴密的安全管理系統，對實施的每一個環節進行監測，提高監視級別，改善項目的安全系統并切實履行職責。同時，建立科學的方法和制度，以鼓勵設計人員提高項目水平并使用先進技術來提高項目安全性。

3.土木工程運用新型材料和技術

在土木工程結構的建筑中使用新材料可以提高土木工程結構的安全性。隨著科學技術的不斷進步，新型材料已開始滲透到建筑施工中的各個方面，新材料應用促進了土木工程的快速發展。例如，土木工程纖維復合材料的使用具有巨大的優勢，降低了材料成本，提高了土木工程的質量和安全性。進一步完善并集成企業運營管理信息系統、生產經營管理信息系統，實現企業管理信息系統的升級換代，深度融合BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算等信息技術，實現BIM與企業管理信息系統的一體化應用，促進企業設計水平和管理水平的提高，從而使土木工程結構的安全性得到進一步保證。

三、土木工程結構設計經濟性控制措施

1.對土木工程結構設計方案進行科學評估

土木工程結構的設計者需要增強對控制成本的了解，科學地評估建設項目的設計結構，增強相關設計的科學性，并在每個階段降低成本，優化土木工程創建和工程設計。例如某銀行大廈因為局部需要改變建筑的使用功能，因此要對結構的整體性以及局部受到影響地方進行科學評估，采用回彈——鉆芯綜合法對每一層的梁或柱進行檢驗，結果發現第5、6層的梁構件實測混凝土強度滿足不了新的用途要求，對此可以采用以下兩種方法進行加固：（1）置換砼加固法，通過該方法進行加固不會對建筑物凈空造成影響，然而施工時間較長需要結合工程工期合理選用。（2）有粘結外包型鋼加固法，該方法是將鋼板或是型鋼在梁構件外部進行包裹，在鋼筋砼梁加固中使用該方法時，一般借助濕式外包法進行，就是借助環氧樹脂化灌漿以及其他方法將梁構件和型鋼粘結為一體，完成加固后，因為受壓與受拉鋼的截面積增大，使得正截面剛度以及承載力增加。該方法具有現場工作量少、受力可靠以及施工便捷等優點，然而需要大量鋼材提供支撐，同時需要做好防護措施。置換砼加固法和有粘結外包型鋼加固法各有利弊，應擇優而用。

2.采用靈活的土木工程結構設計思路

在土木工程結構設計中，有必要打破慣性思維，并靈活的考慮設計的每一方面。工程的設計人員必須選擇一種嚴格的科學且適當的方法來創建工程的設計方法，從而保證土木工程結構設計的經濟性。比如目前在我國的大跨度建筑工程以及特殊的結構中可以進行預應力技術的創新，即采用體外預應力技術。體外預應力指的就是預應力筋設置在混凝土截面之外的預應力，與設置在截面內部的預應力筋進而完成無粘結或者是有粘結的預應力相對應。這種預應力技術的創新有兩個體系，一個是有粘結體外預應力體系；另一個就是無粘結體外預應力體系，這兩個體系各有自己的特點，這是作為后張預應力體系的一個主要的分支，從體外預應力與傳統的預應力體系進行比較可以看出它的優點——對土木工程結構設計的安全性以及經濟性起到了很好的積極作用。

3.選擇合理的土木工程結構類型

為了節省成本并改善土木工程的經濟性，有必要結合現實情況來科學選擇土木工程結構類型。例如，當設計框架時，必須確保框架的尺寸和數量的設計，降低成本并提高經濟效益。在土木工程中需要嚴格把握的截面尺寸的構件主要有柱、梁、板三種。柱尺寸的確定首先要進行中柱截面尺寸的計算，確定后再進行整個結構恒荷載、活荷載等數值的估算。梁尺寸需要以柱距為標桿，也就是說當柱距的數值一致時就能夠保證跨梁、中柱連系梁等梁的尺寸相等。限制板的撓度等因素確定了板尺寸。

4.合理使用鋼結構，提升土木結構設計的安全性與經濟性

鋼結構的合理使用對于建筑的抗彎性能是有所提升的，它從整體上提高了建筑的安全性，保障了企業的經濟效益。一般來說鋼結構的技術施工可以使用不同的型材所組成的鋼結構來提升土木建筑的抗彎性能，因為鋼材的材料特性能夠使得建筑物的力學性能更加完好。當建筑物在進入使用階段后，良好的抗拉性能和沖擊韌性是可以更好的應對地震等自然災害的，從而提高了建筑的安全性。結構用的鋼材在壓制過程中采用鍍鋅、加合金元素等工藝進行防銹處理，與木材、砼等結構材料相比，其強度更高。基于相同受力條件下，鋼結構構件截面更小，自身較輕，安裝便捷，適用于承載重、跨度大的結構。因此，鋼結構的技術引入有利于控制混凝土結構的開裂、坍縮等現象，使用鋼結構的技術對于土木工程的施工是可以有效的避免傳統鋼筋混凝土結構所存在的一些缺陷，這不僅能提升了建筑的安全性，同時也降低了后期維修養護的費用。