淺談加強(qiáng)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的措施討論

通訊作者：張庚彪，1988年11月，男，漢族，山東菏澤人，就職于山東東瑞規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司，中級(jí)工程師，碩士研究生。研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

摘 要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提高，土木工程建設(shè)設(shè)計(jì)行業(yè)也在迅速發(fā)展進(jìn)步。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，直接影響建筑工程質(zhì)量，關(guān)系到人們生命與財(cái)產(chǎn)的安全。隨著生活水平的提高，人們對(duì)建筑安全性的要求不斷提高，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性成為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。本文主要闡述評(píng)價(jià)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性原則，分析我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的安全問(wèn)題，并提出了增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的建議，以供相關(guān)實(shí)踐研究參考借鑒。

關(guān)鍵詞：土木工程;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);安全性;改進(jìn)措施

Abstract： With the continuous improvement of the national economy， the civil engineering construction design industry is also developing rapidly. The safety of building structure design directly affects the quality of construction engineering and the safety of people’s life and property. With the improvement of living standards， people’s requirements for building safety continue to improve. Improving the safety of building structure design has become an important standard to evaluate the design level. This paper mainly expounds the principles of evaluating the safety of building structure design， analyzes the common safety problems in China’s building structure design， and puts forward some suggestions to enhance the safety of building structure design， so as to provide reference for relevant practical research.

Keywords： Civil engineering; Structural design; Safety; Improving measures

一、引言

我國(guó)建筑規(guī)模呈現(xiàn)更高更大的發(fā)展趨勢(shì)，工程復(fù)雜性不斷提高，對(duì)安全性的要求也在不斷提高[1]。如何保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性，已經(jīng)不僅是建筑行業(yè)關(guān)注的問(wèn)題，還引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。保障建筑使用安全的關(guān)鍵在于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，不僅是人們對(duì)建筑質(zhì)量的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，同時(shí)也是建筑行業(yè)自身在追求的目標(biāo)，對(duì)其的研究具有十分重要的意義。

二、土木工程結(jié)構(gòu)安全性概述

土木工程結(jié)構(gòu)的安全性是指建筑物可以承受規(guī)定的重量，可以適應(yīng)風(fēng)、雨、雪等天氣，在臺(tái)風(fēng)、地震和火災(zāi)極端情況下不崩塌，能夠維持建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性，受到施工設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量與后續(xù)維護(hù)等影響[2]。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)損壞后果的嚴(yán)重性確定建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)（如表1所示），需要注意的是，特殊建筑物的安全等級(jí)需要根據(jù)情況另行判斷。

三、土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性原則

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體性原則

建筑各層的重力通過(guò)樓板傳遞至地面，當(dāng)樓板受力不均時(shí)，需要通過(guò)梁結(jié)構(gòu)約束承重柱等結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其剛度，以確保結(jié)構(gòu)承受外力時(shí)不變形。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要依照各部分構(gòu)件的承重能力進(jìn)行分配。

建筑結(jié)構(gòu)的總體布置的提高設(shè)計(jì)安全性的關(guān)鍵。建筑的結(jié)構(gòu)單元平面規(guī)劃應(yīng)該盡量規(guī)則簡(jiǎn)單，避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響[3];建筑立面設(shè)計(jì)應(yīng)該避免伸縮，避免建筑重心偏移;建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量對(duì)稱，分布均勻。科學(xué)的整體結(jié)構(gòu)可以迅速傳遞并消耗建筑受到的外力，保障建筑安全。在建筑的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該以建筑結(jié)構(gòu)整體性的安全為基礎(chǔ)，考慮各個(gè)建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)與使用，確保建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)遵循是圍繞建筑整體的安全性展開(kāi)。另外，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要分析解結(jié)構(gòu)力學(xué)，還要分析建筑構(gòu)件之間的關(guān)系。

（二）結(jié)構(gòu)彈塑性適度原則

所謂“剛過(guò)易折”，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮留有適宜的彈性。如果建筑的剛度過(guò)高，在受外力影響時(shí)不能變形釋放能量，反而會(huì)導(dǎo)致能量迅速聚集，到達(dá)建筑承受極限后，能量釋放將會(huì)造成更大的損害。如果建筑保留過(guò)高的彈性，建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)過(guò)低，導(dǎo)致建筑容易變形，變形程度過(guò)高，會(huì)引發(fā)更大的安全問(wèn)題。所以，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要保留適度的彈性，過(guò)高過(guò)低都不可取[4]。

在極端災(zāi)害中，地震對(duì)建筑的破壞最為顯著，建筑結(jié)構(gòu)的彈性適度原則主要也是針對(duì)地震而言。在地震中，地面加速度的實(shí)際情況會(huì)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)預(yù)期的加速度，需要依靠建筑結(jié)構(gòu)的塑性狀態(tài)降低地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的損害，這個(gè)過(guò)程需要保證結(jié)構(gòu)有充足的延性，能大量吸收地震釋放的能量[5]。延性相對(duì)的是脆性，延性破壞相對(duì)于脆性破壞能吸收更多能量（如圖1所示），能夠有效提高建筑結(jié)構(gòu)安全性。因此，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段就要防止結(jié)構(gòu)剛性破壞，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)要求為小震結(jié)構(gòu)彈性吸收;中震結(jié)構(gòu)損壞可維修;大震結(jié)構(gòu)損壞不坍塌。

（三）多重防護(hù)原則

建筑結(jié)構(gòu)的安全性不能依靠一層防護(hù)措施，所以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性需要遵循多重防護(hù)原則。多重防護(hù)原則指的是設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量多設(shè)計(jì)安全防護(hù)，利用多重防護(hù)消耗外界輸入的能量，通過(guò)這些防護(hù)的損耗，使建筑結(jié)構(gòu)一直保持在穩(wěn)定安全的結(jié)構(gòu)體系，提高建筑安全能力[6]。

尤其是現(xiàn)在的建筑越來(lái)越高大，建筑住戶越來(lái)越密集，受到的外界干擾越來(lái)越多，多種防護(hù)措施的成本分?jǐn)偤髽O低，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，采用多種防護(hù)措施結(jié)合提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性成為了更好的選擇。

四、當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

（一）勘查工作形式化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以工程前期勘查得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合實(shí)際，進(jìn)而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的安全性降低[7]。當(dāng)前很多建筑單位將勘查工作形式化，存在檢測(cè)取點(diǎn)隨意，布點(diǎn)疏松，鉆孔深度不達(dá)標(biāo)等諸多問(wèn)題，甚至有些勘查設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)閑置，勘查數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，勘查工作發(fā)揮不出應(yīng)有的作用，不能提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（二）抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低

抗震設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，是提高建筑安全性的關(guān)鍵。但很多設(shè)計(jì)單位對(duì)抗震性能不夠重視。另外，建筑抗震設(shè)計(jì)的要求有極大的彈性空間，且不同抗震設(shè)計(jì)的成本差距也較大，規(guī)定中也缺乏根據(jù)地區(qū)情況細(xì)化的規(guī)定，這些共同導(dǎo)致建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低。

（三）結(jié)構(gòu)耐久性較差

建筑工程大多需要在外界經(jīng)受風(fēng)吹日曬，隨著時(shí)間變化而老化。老化與損壞是建筑必然面臨的問(wèn)題，所以建筑有明確的使用年限。但很多工程結(jié)構(gòu)缺乏維護(hù)與保養(yǎng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加速了建筑結(jié)構(gòu)的老化與損壞，導(dǎo)致建筑在使用年限間就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)承載能力明顯下降、抗震性能迅速下滑等情況，這些與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中忽視耐久因素有直接關(guān)系[8]。

五、土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性改進(jìn)措施

（一）提高對(duì)勘查工作的重視

針對(duì)當(dāng)下工程勘查形式化的問(wèn)題，施工單位應(yīng)該提高對(duì)勘查工作的重視程度。在勘查過(guò)程中制定嚴(yán)格的作業(yè)流程，加大勘查工程的投入力度，培養(yǎng)專業(yè)勘查人才，使用現(xiàn)金的勘查技術(shù)，著重提高勘查數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度，為后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)[9]。

（二）增強(qiáng)工程師的職業(yè)素養(yǎng)與安全意識(shí)

建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要結(jié)構(gòu)工程師施行，建筑工程師的職業(yè)素養(yǎng)與安全意識(shí)，直接影響設(shè)計(jì)方案的安全性。結(jié)構(gòu)工程師首先具有完善的專業(yè)知識(shí)，主要分為因地制宜和與時(shí)俱進(jìn)，因地制宜指的是工程師需要結(jié)合勘查數(shù)據(jù)和建筑需求，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)，與時(shí)俱進(jìn)指的是工程師需要不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步，更新專業(yè)知識(shí)，提高自己的設(shè)計(jì)水平[10]。其次要具有較高的安全意識(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中保持認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，認(rèn)識(shí)到自己承擔(dān)的責(zé)任，能夠充分利用自身的專業(yè)技能，設(shè)計(jì)出完善的建筑結(jié)構(gòu)方案，并積極與施工部門溝通，確保施工正確。

（三）增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，企業(yè)應(yīng)該注重建筑的抗震性能，不滿足于符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)應(yīng)該對(duì)建筑工程所在地的地質(zhì)情況與地形特征進(jìn)行全面勘查，結(jié)合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)?shù)厍闆r選擇預(yù)期的建筑抗震參數(shù)，據(jù)此制定建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)。在地震帶等特殊區(qū)域，應(yīng)該適當(dāng)提高抗震參數(shù)，確保建筑抗震性滿足需要，可以參考地震多發(fā)的日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范性。此外，遵循建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多重防護(hù)原則，結(jié)合使用簡(jiǎn)化平面設(shè)計(jì)、設(shè)置抗震支架、加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多種抗震設(shè)計(jì)，提高建筑抗震性能[11]。需要注意的是，施工過(guò)程中需要注意建筑材料的選擇和使用，確保施工材料符合設(shè)計(jì)要求，避免材料質(zhì)量影響抗震設(shè)計(jì)實(shí)用效果。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)如下圖2所示。

（四）重視建筑結(jié)構(gòu)的耐久性

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)的耐久性，提高建筑結(jié)構(gòu)的使用年限。施工單位可以提高鋼筋混凝土等主體材料的耐久性設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土是大多數(shù)建筑的主體材料，其耐久性受到設(shè)計(jì)、施工、使用和維護(hù)的影響，施工企業(yè)可以從設(shè)計(jì)與施工方面改良鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性、剛度等性能，減低影響構(gòu)件性能的不利因素。施工單位需要了解材料市場(chǎng)，使用先進(jìn)的建筑材料，提高結(jié)構(gòu)延性。另外，為了保證建筑的總耐久性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與外界環(huán)境，適當(dāng)增加建筑保護(hù)層的厚度，延長(zhǎng)老化進(jìn)程，從材料、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件三方面入手，全面提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。

（五）信息技術(shù)的引用

隨著信息科技的發(fā)展，“建筑+互聯(lián)網(wǎng)”為提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性提供了新的途徑。以BIM技術(shù)為例，該技術(shù)可以解決以往復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難、缺乏模擬途徑、方案修改困難等問(wèn)題，使用BIM技術(shù)不僅可以提高建筑的安全性，還可以收集處理以往建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)建立完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體制，提高之后建筑解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。

六、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，但當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在勘查數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低和耐久性差等問(wèn)題，建筑工程企業(yè)需要，堅(jiān)持“安全第一，質(zhì)量第一”的設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的重視，結(jié)合項(xiàng)目情況針對(duì)性地制定改正措施，確保建筑結(jié)構(gòu)安全。

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