如何提高建筑結構設計的安全性

肖 昕，王廷廷

（1.廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州 511487）

0 引言

近年來，關于建筑事故的案例和報道屢見不鮮，某些企業和相關從業者盲目減少建設成本，或者設計方案華而不實，沒有滿足正常的安全性指標要求，導致了相應的事故發生，給居民和日常使用者造成了生命和財產威脅。目前我國經濟形勢良好，建筑工程日益增多，在建筑的結構設計當中，應當嚴格按照建筑結構對應的安全等級，一級為重要的建筑，二級為一般的房屋，三級為次要的房屋來設計[1]。為保證建筑結構具有規定的可靠度，除應進行必要的結構設計計算外，還應對結構材料性能、施工質量、使用與維護進行相應的控制。對控制的具體要求，應符合有關勘察、設計、施工及維護等標準的專門規定。

1 建筑結構的分類

根據不同的居民生活需要，可以將結構分為不同的類型，根據不同的結構類型、使用年限，可以得出不同的分類標準。如果按建筑材料的分類，可以分為鋼結構、混凝土結構、砌體結構、木結構等。按照使用年限劃分可分為臨時性建筑、普通房屋和構筑物、紀念性建筑和特別重要的建筑等；按結構形態劃分，可分為框架結構（圖1）、剪力墻結構、框架剪力墻結構等。按建筑高度劃分，可分為超高層、高層、多層、單層。根據其使用性能，可分為工業和民用兩類。從目前建筑業的發展趨勢來看，目前我國的超高層建筑越來越多，工程建設規模越來越大，對建筑結構的設計提出了新的要求和挑戰[2]。

圖1 框架結構

2 結構設計的重要性

為保證結構的整體穩定性和安全性，結構設計人員和相關施工人員應充分考慮建筑整體的設計水準和施工質量。在工程建設中，地質條件、水文、水利環境、周圍環境等因素能否滿足工程建設的后期需求，對于建筑工程的后期運營都有很大的影響。為保證建筑物的整體穩定性和安全性，建筑結構設計人員都要到現場收集環境勘察報告并對其進行相應的分析；或者可以委托有資質的第三方機構對現場進行安全性、穩定性和完整性評估，以保證建筑工程的可行性。在保證受力安全的同時，結構設計師還要對整個建筑的結構和方案的執行進行系統的優化。建筑結構設計是后面一切施工安全的基礎，結構設計師應根據不同的場地、不同的使用功能、不同的使用年限、安全等級等選擇合理適用的建筑結構，然后根據不同的荷載選擇合適的構件截面尺寸。使結構設計符合技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量的要求。

3 建筑結構設計和建筑安全性關系分析

結構設計能否有效地實現，將極大地影響到建筑的安全穩定性，進而影響到下一步建筑的使用質量和使用壽命。建筑的適用性主要體現在建筑的總體規劃與布置上，以及能否滿足使用者的個性化要求。而耐久性則是指在有限的情況下達到目的的可能性。另外，建筑物的安全性主要是指建筑物的內外功能在一定的使用年限內所能達到的最大限度。所以，加強建筑物的安全設計，既可以使建筑物的品質與性能得到改善，又可以保障居民的人身和財產安全。因此，在建筑結構的設計中，應采用科學、合理的方法來保證建筑的適用性、穩定性，從而提高建筑的整體性能[3-5]。

4 建筑結構設計的基本安全準則

經過具體問題的分析可以得出，結構設計是一項整體性工程，需要考量多個方面來確保結構整體的安全性，因此在建筑結構設計的過程中有必要按照相應的結構設計標準進行設計。

4.1 建筑結構的完整性原則

建筑結構必須遵循完整性原則，特別是一些大型建筑和結構復雜的建筑。在設計過程中保證結構的整體性，就可以使結構的整體受力均勻，確保結構的剛度和強度能夠充分的發揮，當建筑物承受外部沖擊載荷和持續載荷的情況下，結構能夠均勻受力，減少外部沖擊對結構整體的損害。

4.2 剛度適宜性原則

結構的設計過程中，剛度不能過大也不能過小。結構剛度過大的話，抗形變的延展拉伸能力就會減弱，比較容易發生整體性的垮塌和破壞；如果剛度過小的話，當承受比較大的外部沖擊載荷時，也容易發生整體性垮塌和破壞，發生較大的事故危機使用者的生命財產安全。建筑材料的選擇方面上，要選用自身彈性性能好的材料，可以抵抗外部載荷作用，保證建筑整體的安全性和可靠性。此外，結構設計人員還要進行一定程度的彈性設計，確保建筑整體的安全性滿足相關規范的要求。

5 影響建筑工程結構安全性的因素

5.1 結構設計人員安全意識不足

為保證建筑結構設計滿足國家規范的要求，設計人員在設計方案開始之前，需要對施工場地進行實地勘察，充分了解現場影響設計及施工安全的各個因素，并且需綜合考慮工程的總體投資等因素，使設計方案既能滿足經濟適用，也能保證建筑結構的安全。然而，現在大部分的設計人員面對的現狀確實工程的工期緊張，預留給設計的時候愈加緊張。每天在趕圖趕方案的過程中安全意識難免會有所松懈，或者遺漏某些有關安全的設計參數，從而導致設計方案存在結構安全方面的漏洞。在工程設計中，應杜絕這種情況的發生，首先結構設計人員應該加強自己的安全意識，結構安全放在首位；其次應該加強三級校審制度，從制度體系上提升結構的設計安全性。

5.2 結構設計選型不夠合理

建筑結構是整個建筑的骨架，是支撐整個建筑最關鍵的部分。建筑的結構設計就是要為建筑選擇合適的骨架，以匹配整個建筑的體量。所以，在結構設計時，前期的結構選型尤為重要。前期結構選型不合適，在后期結構計算時可能要通過加大截面積才能滿足結構的使用要求，這樣既加大了投資，也使結構的安全存在一定的隱患。所以前期的結構設計選型，選擇了合適的結構類型，設計方案就成功了一大半，也能保證結構設計的安全性。

5.3 抗震設計較為缺乏

從有關資料的分析可知，發生地震時，地震作用會對建筑物的結構造成很大的損害。而在地震高發區，由于前期國內的房屋缺乏良好的抗震設計，地震發生時，沒有進行抗震設計的房屋大部分都發生了大規模的破壞。所以，在現階段的結構設計中，抗震設計尤為重要，設計人員需要按照最新的國家抗震規范的要求，是建筑物能滿足遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用；當遭受相當于本地區抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發生損壞，但經一般性修理仍可繼續使用；當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。

5.4 所用材料存在隱患

如今，我國大多數建筑企業在進行建筑工程施工時最常使用鋼材，鋼材質量的好壞直接關系到建筑物的安全。然而，一些建筑企業在建設過程中，往往會選用質量較差的鋼筋，以增加工程效益，減少工程造價，從而對房屋的承載能力和穩定性造成很大的影響。所以設計人員在出設計方案是，要對所用材料的型號和規格進行要求，要求建筑施工企業使用滿足規范及設計施工圖的材料。另外，我國對建筑鋼材的選用有嚴格的規范，對鋼筋的配筋比例也有嚴格的要求，必須根據不同的部位、不同的受力狀況來確定合理的配筋比例。

6 提高建筑結構設計安全性的具體措施

6.1 建筑結構的安全性計算

建筑安全性計算對于建筑整體的安全性可靠性是必要的，設計方案需要經過嚴格的計算，來論證設計方案的結構安全性，并根據計算結果對應修改相應的設計方案。例如在進行建筑結構的抗震設計中，需要分析建筑所處的地理位置和地面組成情況，根據安全計算合理選擇合適的建筑方案，選擇合適的結構體系。對于混凝土結構，剪力墻和配筋等環節，相關設計人員要慎重考慮，深入細節，充分利用相關調研資料和地勘報告進行綜合設計。

6.2 平面和豎向設計

在建筑結構的抗震性能設計中，需要合理選用設計平面，采用合乎規則的結構布局，避免結構扭轉和薄弱的連接面或連接點的出現。可以通過抗震縫的布局方式，把結構整體分割成幾個抗震單元，進行分離分析和整體分析。在高層建筑的設計過程中，需要額外考慮建筑所承受的風荷載。因此在高層建筑的外形選用上，最好采用流線型設計，避免采用矩形平面，因為矩形平面相比于流線型設計需要承受額外的風壓，使得建筑受到更多的風載荷。此外平面設計中，兩個兩兩正交方向的剛度需要盡量保持一致，剪力墻可以設置在周圍，可以提升建筑整體的剛度與抗扭轉力的能力。同時可以適當增加樓層的高度或者大梁的高度，來讓剪力墻能夠承受更大的彎扭應力作用。在豎向設計過程中，剪力墻的高度應該遵尋從下到上逐漸減小的原則，可以避免使得建筑整體對于水平力的抵抗能力。

6.3 培養從業人員的安全意識

建筑結構設計是一個需要大量知識積累的過程，此外除了理論知識的需求，也需要相關從業人員擁有大量的實踐經驗，需要對國內外經典的設計案例非常熟悉，對于其中的原理也需要能夠掌握，尤其案例中對于提升建筑整體安全性的具體舉措也一定要熟悉。從業人員需要有較高的安全意識，制定相關設計方案時，要做好調研，與相關技術人員以及部門人員進行技術以及要求的溝通，明確設計方案，在保證安全性的情況下，適當考量預算和公司的經濟能力，分析潛在的風險因素，設計補充性的設計方案，兼顧各個方面。

6.4 加強結構設計的合理性

建筑的結構設計中各個環節都應保持合理性，只有每個環節不出偏差，各個環節相互配合才能保證建筑整體的合理性和安全性。例如鋼筋是建筑結構中重要的組成部分，鋼筋的質量和安裝方式將直接決定建筑整體的結構安全以及可靠性。剪力墻的設計過程中，應當保證橫向鋼筋在外，縱向鋼筋在內的準則。對于地下結構不僅僅要提供對于上部結構的支撐力，還要傳遞載荷給地面，因此墻體整體的抗側壓的能力是極其重要的。所以不同于剪力墻的鋼筋處置方式，應當采取橫向鋼筋在內，縱向鋼筋在外的原則，即與剪力墻的布置方式正好相反。此外樓板的設計也是建筑結構設計需要重點考慮的對象，其使用能力和可靠程度將直接影響建筑整體。樓板的相關設計中，相關從業人員需要考慮不同梁的受力情況，主次梁的受力方式不同，需要對受力大的樓板進行單獨的考量和設計（圖2）。在保證樓板設計的合理性和可靠性的前提之下，便可以減少鋼筋的使用量，從而減少工程整體的造價。

圖2 樓板設計

6.5 保障安全監督和管控

設計院內部應建立完善的三級校審制度，通過制度保證結構設計的安全性。另外有條件的話，相關建筑企業也應當在設計院之外，設立相應的設計方案審核和監督部門，負責審核設計人員的設計圖，如有疑問的話，與相關設計人員及時溝通，探討設計方案的合理性和安全性。如果過程中發現設計方案的不合理之處和失誤，應當及時指出，避免相應的設計錯誤和不足流入施工環節。

7 結語

綜上所述，建筑結構設計過程中很多環節都會出現問題，有些問題雖小，但是也對結構整體的安全性和可靠性造成了威脅。因此對于建筑結構設計從業者來說，應當仔細調研，明確建筑結構設計中可能出現的問題，了解相關提高建筑整體安全性的舉措，依照實際的工程項目采取不同的方法，確保建筑的安全性和可靠性，避免建筑結構安全問題的發生。