土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)安全性與經(jīng)濟(jì)性的措施探析

楊國華

（山東協(xié)和學(xué)院，山東 濟(jì)南 250107）

土木工程在建筑領(lǐng)域占據(jù)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(guān)，因此各大建筑公司和施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷提升土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造能力水平，強(qiáng)化土木工程質(zhì)量，才能夠推動建筑行業(yè)欣欣向榮發(fā)展，為服務(wù)社會、服務(wù)大眾發(fā)揮建筑工程優(yōu)勢。在土木工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建造土木工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性對整體工程建設(shè)起到了重要影響，不僅關(guān)乎建造質(zhì)量，更是關(guān)乎廣大民眾的生命安全。因此研究土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性問題具有重大現(xiàn)實(shí)意義，廣大建筑公司和施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)將安全性和經(jīng)濟(jì)性放在建設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念和必要性

1.1 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念

在我國建筑行業(yè)，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是指采用合理、科學(xué)、現(xiàn)代的方法，根據(jù)建筑大小標(biāo)準(zhǔn)、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(jié)構(gòu)承受的作用力、抵御自然災(zāi)害，主要利用建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、建筑墻、建筑柱，以及建筑結(jié)構(gòu)中的梁、板，還有樓體等結(jié)構(gòu)要素來規(guī)劃和設(shè)計(jì)建筑工程的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使得建筑更加牢固、安全。

1.2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是保障整個土木工程質(zhì)量的基本前提，在土木工程的施工和建設(shè)之中，前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)于整體工程的“骨架”，而后續(xù)裝修裝飾和美化施工相當(dāng)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(fā)生機(jī)”，一旦“骨架”搭建出現(xiàn)了問題，那么整體工程的質(zhì)量和效果將會大打折扣，問題較輕可以通過修復(fù)的方法來修正問題，如果情況嚴(yán)重只能重新完成建設(shè)，因此土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保障土木工程質(zhì)量的基本前提，必須要提高設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，在設(shè)計(jì)中要仔細(xì)考量，杜絕各類安全隱患，提高土木工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益；二是牢筑整體土木工程結(jié)構(gòu)安全的基本保證，土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過利用現(xiàn)代建筑學(xué)中的理論知識，結(jié)合土木工程實(shí)際建造情況和建造需求，站在科學(xué)的角度全盤考慮設(shè)計(jì)，以降低土木工程在建設(shè)中、交付中以及未來使用中面臨的各類安全風(fēng)險，從而保障土木工程建設(shè)的安全性，為人們的生命安全、財產(chǎn)安全提供有力保障，為建設(shè)企業(yè)和施工企業(yè)規(guī)避經(jīng)濟(jì)損失，因此土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是牢筑整體工程結(jié)構(gòu)安全的基本保證。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)聯(lián)分析

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其安全性設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)之間互為聯(lián)系，二者缺一不可，具體而言二者的關(guān)聯(lián)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是土木結(jié)構(gòu)的安全性是提高經(jīng)濟(jì)效益的前提，因?yàn)橹挥斜Ｕ辖ㄖこ踢\(yùn)行穩(wěn)定、保障使用土木建筑的群眾生命財產(chǎn)安全，才能提高整體土木工程的經(jīng)濟(jì)效益，一旦土木工程在結(jié)構(gòu)方面存在安全隱患，那么將會對相關(guān)企業(yè)和社會造成重大經(jīng)濟(jì)損失；二是土木結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與安全性是矛盾統(tǒng)一的整體，因?yàn)槿绻^度強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，那么將會使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性降低，換言之就是會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本與費(fèi)用，但是如果過度強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，那么將會使得土木工程結(jié)構(gòu)的安全性降低，這與整體土木工程質(zhì)量和安全重要性相背離。因此，在土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注經(jīng)濟(jì)性與安全性的有機(jī)統(tǒng)一，科學(xué)協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)性和安全性，使得二者之間相互平衡，在保障安全性的基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)性，假如設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)水平較高，可以在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量與安全的情況下提高施工效率和材料利用率，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性能保障的情況下，可以通過減少不必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)土木工程建設(shè)成本降低。

3 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提升經(jīng)濟(jì)性與安全性的措施

3.1 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提升經(jīng)濟(jì)性的措施

3.1.1 選擇合理科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)

想要提升土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)設(shè)計(jì)單位在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)選擇合理科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)圖集進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的時候采用標(biāo)準(zhǔn)圖、采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像和標(biāo)識，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與合理性得到有效保障。但是針對一些要求特殊、規(guī)模大、工期長的土木工程建設(shè)，并且涉及的工藝復(fù)雜的時候，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)按照工程實(shí)際情況選用與之相對應(yīng)的圖集來完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3.1.2 嚴(yán)格落實(shí)限額設(shè)計(jì)

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)有一定的預(yù)算，嚴(yán)格落實(shí)限額設(shè)計(jì)可以避免設(shè)計(jì)超支，在合理的預(yù)算內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與業(yè)主單位和建設(shè)單位溝通，明確整體預(yù)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)算限額再開展設(shè)計(jì)工作。

3.1.3 盡量規(guī)避結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更出現(xiàn)

在土木工程建設(shè)當(dāng)中，設(shè)計(jì)變更較為常見，并且變更的原因主要是受到業(yè)主方、建設(shè)方、施工方等多方的意見影響，或者溝通不暢而導(dǎo)致，所以在實(shí)踐當(dāng)中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)盡量避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更出現(xiàn)，通過與各單位加強(qiáng)溝通協(xié)作、認(rèn)真考察建設(shè)環(huán)境、仔細(xì)分析建設(shè)要求，做好設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作，從而有效規(guī)避設(shè)計(jì)變更，減少因?yàn)樽兏a(chǎn)生的不必要成本。

3.1.4 利用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)

在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來有效改善建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，同時鋼結(jié)構(gòu)與木質(zhì)結(jié)構(gòu)等相比更具優(yōu)勢，具有良好的抗震性。因此如果在滿足建設(shè)方或業(yè)主方的需求時，設(shè)計(jì)單位可以多采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)成本相對較低可控，可以降低施工成本。

3.2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提升安全性的措施

3.2.1 積極推廣和應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)、先進(jìn)的結(jié)構(gòu)

想要提升土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，可以積極關(guān)注行業(yè)動向，積極關(guān)注前沿的設(shè)計(jì)理念和思想，應(yīng)用科學(xué)、先進(jìn)的結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，選用新型結(jié)構(gòu)材料等，使得土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、科學(xué)和先進(jìn)。具體而言可以從以下幾個方面來開展實(shí)施：

一是相關(guān)設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)工作開展前要深入調(diào)查建筑市場，一方面要重點(diǎn)關(guān)注行業(yè)動向，了解相關(guān)新型材料、先進(jìn)的施工技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等，認(rèn)真分析研究土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性與科學(xué)性，避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)落后而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全性降低。

二是建設(shè)和施工單位應(yīng)當(dāng)在施工當(dāng)中按照設(shè)計(jì)要求積極應(yīng)用新型材料和安全系數(shù)高的建筑材料。在土木工程建設(shè)當(dāng)中，如常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要用到大量的鋼筋混凝土材料，所以混凝土的質(zhì)量對整體項(xiàng)目的安全程度、項(xiàng)目質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，因而應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選用先進(jìn)新型的混凝土材料，例如纖維混凝土，此類混凝土與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度，其安全系數(shù)更高。此外，還可以積極改進(jìn)施工工藝和技術(shù)，例如新型預(yù)應(yīng)力技術(shù)，與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力技術(shù)相比，能夠使得預(yù)應(yīng)力筋的粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力相對應(yīng)，從而產(chǎn)生較小的摩擦損失，其中體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以使得結(jié)構(gòu)剛度得到改善與提高，增強(qiáng)抗裂性能。

3.2.2 根據(jù)科學(xué)合理的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)

由于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性特征，并環(huán)節(jié)步驟較多，內(nèi)容廣泛，所以想要提升土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，就應(yīng)當(dāng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)加強(qiáng)控制，比如相關(guān)施工人員、施工機(jī)械設(shè)備以及施工相關(guān)材料等，如果設(shè)計(jì)單位沒有對設(shè)計(jì)參數(shù)嚴(yán)加把控，很容易在實(shí)際建設(shè)施工中引發(fā)一些安全事故，所以必須要嚴(yán)格把控設(shè)計(jì)參數(shù)，尤其是結(jié)構(gòu)的軸壓、剛度、剪重比等關(guān)鍵性參數(shù)。

3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明進(jìn)行細(xì)化完善

想要提升土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，相關(guān)設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)在規(guī)劃編制設(shè)計(jì)圖紙的時候，詳細(xì)注明相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明，呈現(xiàn)詳實(shí)細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明，避免施工人員因?yàn)椴磺宄O(shè)計(jì)說明而錯誤施工，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。首先設(shè)計(jì)說明應(yīng)當(dāng)全面包括施工工藝方案、施工要點(diǎn)、施工基本信息，從而為施工提供可靠依據(jù)，推動施工人員順利進(jìn)行技術(shù)交底，從而提高施工質(zhì)量，保障項(xiàng)目工程安全性；其次是在編制相關(guān)說明的時候要注重表述關(guān)鍵性問題和要點(diǎn)問題，簡潔明了的說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，避免施工人員因?yàn)椴磺宄⒉焕斫舛绊懝こ藤|(zhì)量與工程進(jìn)度。

4 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升安全性與經(jīng)濟(jì)性案例分析

前文詳細(xì)分析了土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)濟(jì)性與安全性關(guān)系以及提升的策略，接下來筆者將以具體的項(xiàng)目案例來分析對比不同土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4.1 項(xiàng)目概述

該項(xiàng)目為廠房建筑，其土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：結(jié)構(gòu)總長度120 m，檐口高度15 m，屋架跨度為 27 m；設(shè)定其防震類型為丙類，防烈度為6級；當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓通過測算得出為0.8 kN/m2，經(jīng)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比較分析

4.2.1 土木工程結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在這一設(shè)計(jì)方案中，全面采用鋼結(jié)構(gòu)來進(jìn)行建造，梁采用 H 型鋼梁，柱子采用箱型的鋼柱，屋架桿件設(shè)計(jì)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(jìn)行制作，運(yùn)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(yīng)當(dāng)在廠房柱間設(shè)置水平支撐，因此在第二柱間設(shè)置上弦水平支撐，在廠房中部設(shè)置垂直支撐和下弦橫向水平支撐，并且在各個支撐間設(shè)置三道系桿。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過設(shè)計(jì)軟件可以對其鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)方案相關(guān)參數(shù)

4.2.2 土木工程結(jié)構(gòu)鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

鋼混結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)最大不同點(diǎn)在于采用了大量的混凝土材料，并且還設(shè)置了框架結(jié)構(gòu)方柱，方柱的截面不同，相關(guān)參數(shù)如下表2所示。由于采用鋼混結(jié)構(gòu)，因此參數(shù)僅涉及軸壓比方柱配筋率和方柱最大軸壓比。

表2 鋼混結(jié)構(gòu)方案相關(guān)參數(shù)

4.2.3 二者設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性對比

首先從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面來說，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于全面采用鋼材材料，其工業(yè)化程度非常高，而且從施工層面而言鋼結(jié)構(gòu)的施工程序、施工工藝簡單，因此施工進(jìn)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(nèi)可以完成施工，而鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于需要用到混凝土，混凝土澆筑施工工序復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體工期短、施工效率高，因而整體造價要比鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的造價要低，所以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性相對較高。

4.2.4 二者設(shè)計(jì)方案安全性對比

從設(shè)計(jì)的安全性來說，由于二者都采用現(xiàn)代建筑工藝，且都使用鋼結(jié)構(gòu)，所以其穩(wěn)定性、耐久性以及抗震性都較高，整體土木工程項(xiàng)目質(zhì)量都有保障。

4.3 結(jié)論

通過對比可知，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhì)量比較有保障；從經(jīng)濟(jì)性層面而言，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提升施工效率，甚至縮短施工建設(shè)時間，整體造價相對較低，因此采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提高土木工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，土木工程各類項(xiàng)目數(shù)量長期呈上升趨勢，同時國家和社會對其施工的安全和質(zhì)量提出了更高要求的標(biāo)準(zhǔn)。在這樣的背景下，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)全力平衡設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，一方面要合理布局規(guī)劃，另一方面要堅(jiān)守相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)底線，在保障土木工程質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)上提高經(jīng)濟(jì)效益，從而推動建筑行業(yè)發(fā)展。