如何提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性

肖 昕，王廷廷

（1.廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511487）

0 引言

近年來，關(guān)于建筑事故的案例和報(bào)道屢見不鮮，某些企業(yè)和相關(guān)從業(yè)者盲目減少建設(shè)成本，或者設(shè)計(jì)方案華而不實(shí)，沒有滿足正常的安全性指標(biāo)要求，導(dǎo)致了相應(yīng)的事故發(fā)生，給居民和日常使用者造成了生命和財(cái)產(chǎn)威脅。目前我國經(jīng)濟(jì)形勢良好，建筑工程日益增多，在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照建筑結(jié)構(gòu)對應(yīng)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(shè)計(jì)[1]。為保證建筑結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度，除應(yīng)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算外，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)材料性能、施工質(zhì)量、使用與維護(hù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。對控制的具體要求，應(yīng)符合有關(guān)勘察、設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)的專門規(guī)定。

1 建筑結(jié)構(gòu)的分類

根據(jù)不同的居民生活需要，可以將結(jié)構(gòu)分為不同的類型，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型、使用年限，可以得出不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。如果按建筑材料的分類，可以分為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等。按照使用年限劃分可分為臨時(shí)性建筑、普通房屋和構(gòu)筑物、紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑等；按結(jié)構(gòu)形態(tài)劃分，可分為框架結(jié)構(gòu)（圖1）、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等。按建筑高度劃分，可分為超高層、高層、多層、單層。根據(jù)其使用性能，可分為工業(yè)和民用兩類。從目前建筑業(yè)的發(fā)展趨勢來看，目前我國的超高層建筑越來越多，工程建設(shè)規(guī)模越來越大，對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的要求和挑戰(zhàn)[2]。

圖1 框架結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員和相關(guān)施工人員應(yīng)充分考慮建筑整體的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)和施工質(zhì)量。在工程建設(shè)中，地質(zhì)條件、水文、水利環(huán)境、周圍環(huán)境等因素能否滿足工程建設(shè)的后期需求，對于建筑工程的后期運(yùn)營都有很大的影響。為保證建筑物的整體穩(wěn)定性和安全性，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都要到現(xiàn)場收集環(huán)境勘察報(bào)告并對其進(jìn)行相應(yīng)的分析；或者可以委托有資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)對現(xiàn)場進(jìn)行安全性、穩(wěn)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(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師還要對整個建筑的結(jié)構(gòu)和方案的執(zhí)行進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是后面一切施工安全的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)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(jié)構(gòu)，然后根據(jù)不同的荷載選擇合適的構(gòu)件截面尺寸。使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量的要求。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑安全性關(guān)系分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有效地實(shí)現(xiàn)，將極大地影響到建筑的安全穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到下一步建筑的使用質(zhì)量和使用壽命。建筑的適用性主要體現(xiàn)在建筑的總體規(guī)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(dá)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(nèi)外功能在一定的使用年限內(nèi)所能達(dá)到的最大限度。所以，加強(qiáng)建筑物的安全設(shè)計(jì)，既可以使建筑物的品質(zhì)與性能得到改善，又可以保障居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。因此，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用科學(xué)、合理的方法來保證建筑的適用性、穩(wěn)定性，從而提高建筑的整體性能[3-5]。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本安全準(zhǔn)則

經(jīng)過具體問題的分析可以得出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)整體性工程，需要考量多個方面來確保結(jié)構(gòu)整體的安全性，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中有必要按照相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 建筑結(jié)構(gòu)的完整性原則

建筑結(jié)構(gòu)必須遵循完整性原則，特別是一些大型建筑和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑。在設(shè)計(jì)過程中保證結(jié)構(gòu)的整體性，就可以使結(jié)構(gòu)的整體受力均勻，確保結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度能夠充分的發(fā)揮，當(dāng)建筑物承受外部沖擊載荷和持續(xù)載荷的情況下，結(jié)構(gòu)能夠均勻受力，減少外部沖擊對結(jié)構(gòu)整體的損害。

4.2 剛度適宜性原則

結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，剛度不能過大也不能過小。結(jié)構(gòu)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(fā)生整體性的垮塌和破壞；如果剛度過小的話，當(dāng)承受比較大的外部沖擊載荷時(shí)，也容易發(fā)生整體性垮塌和破壞，發(fā)生較大的事故危機(jī)使用者的生命財(cái)產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還要進(jìn)行一定程度的彈性設(shè)計(jì)，確保建筑整體的安全性滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

5 影響建筑工程結(jié)構(gòu)安全性的因素

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員安全意識不足

為保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足國家規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)方案開始之前，需要對施工場地進(jìn)行實(shí)地勘察，充分了解現(xiàn)場影響設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案既能滿足經(jīng)濟(jì)適用，也能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。然而，現(xiàn)在大部分的設(shè)計(jì)人員面對的現(xiàn)狀確實(shí)工程的工期緊張，預(yù)留給設(shè)計(jì)的時(shí)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(guān)安全的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案存在結(jié)構(gòu)安全方面的漏洞。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)杜絕這種情況的發(fā)生，首先結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)自己的安全意識，結(jié)構(gòu)安全放在首位；其次應(yīng)該加強(qiáng)三級校審制度，從制度體系上提升結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全性。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型不夠合理

建筑結(jié)構(gòu)是整個建筑的骨架，是支撐整個建筑最關(guān)鍵的部分。建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，前期的結(jié)構(gòu)選型尤為重要。前期結(jié)構(gòu)選型不合適，在后期結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)可能要通過加大截面積才能滿足結(jié)構(gòu)的使用要求，這樣既加大了投資，也使結(jié)構(gòu)的安全存在一定的隱患。所以前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型，選擇了合適的結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計(jì)方案就成功了一大半，也能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

5.3 抗震設(shè)計(jì)較為缺乏

從有關(guān)資料的分析可知，發(fā)生地震時(shí)，地震作用會對建筑物的結(jié)構(gòu)造成很大的損害。而在地震高發(fā)區(qū)，由于前期國內(nèi)的房屋缺乏良好的抗震設(shè)計(jì)，地震發(fā)生時(shí)，沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的房屋大部分都發(fā)生了大規(guī)模的破壞。所以，在現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)尤為重要，設(shè)計(jì)人員需要按照最新的國家抗震規(guī)范的要求，是建筑物能滿足遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時(shí)，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。

5.4 所用材料存在隱患

如今，我國大多數(shù)建筑企業(yè)在進(jìn)行建筑工程施工時(shí)最常使用鋼材，鋼材質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到建筑物的安全。然而，一些建筑企業(yè)在建設(shè)過程中，往往會選用質(zhì)量較差的鋼筋，以增加工程效益，減少工程造價(jià)，從而對房屋的承載能力和穩(wěn)定性造成很大的影響。所以設(shè)計(jì)人員在出設(shè)計(jì)方案是，要對所用材料的型號和規(guī)格進(jìn)行要求，要求建筑施工企業(yè)使用滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)施工圖的材料。另外，我國對建筑鋼材的選用有嚴(yán)格的規(guī)范，對鋼筋的配筋比例也有嚴(yán)格的要求，必須根據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的具體措施

6.1 建筑結(jié)構(gòu)的安全性計(jì)算

建筑安全性計(jì)算對于建筑整體的安全性可靠性是必要的，設(shè)計(jì)方案需要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算，來論證設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)安全性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對應(yīng)修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。例如在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，需要分析建筑所處的地理位置和地面組成情況，根據(jù)安全計(jì)算合理選擇合適的建筑方案，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。對于混凝土結(jié)構(gòu)，剪力墻和配筋等環(huán)節(jié)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要慎重考慮，深入細(xì)節(jié)，充分利用相關(guān)調(diào)研資料和地勘報(bào)告進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

6.2 平面和豎向設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)中，需要合理選用設(shè)計(jì)平面，采用合乎規(guī)則的結(jié)構(gòu)布局，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和薄弱的連接面或連接點(diǎn)的出現(xiàn)。可以通過抗震縫的布局方式，把結(jié)構(gòu)整體分割成幾個抗震單元，進(jìn)行分離分析和整體分析。在高層建筑的設(shè)計(jì)過程中，需要額外考慮建筑所承受的風(fēng)荷載。因此在高層建筑的外形選用上，最好采用流線型設(shè)計(jì)，避免采用矩形平面，因?yàn)榫匦纹矫嫦啾扔诹骶€型設(shè)計(jì)需要承受額外的風(fēng)壓，使得建筑受到更多的風(fēng)載荷。此外平面設(shè)計(jì)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(shè)置在周圍，可以提升建筑整體的剛度與抗扭轉(zhuǎn)力的能力。同時(shí)可以適當(dāng)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(yīng)力作用。在豎向設(shè)計(jì)過程中，剪力墻的高度應(yīng)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(yǎng)從業(yè)人員的安全意識

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)從業(yè)人員擁有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需要對國內(nèi)外經(jīng)典的設(shè)計(jì)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(yè)人員需要有較高的安全意識，制定相關(guān)設(shè)計(jì)方案時(shí)，要做好調(diào)研，與相關(guān)技術(shù)人員以及部門人員進(jìn)行技術(shù)以及要求的溝通，明確設(shè)計(jì)方案，在保證安全性的情況下，適當(dāng)考量預(yù)算和公司的經(jīng)濟(jì)能力，分析潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)補(bǔ)充性的設(shè)計(jì)方案，兼顧各個方面。

6.4 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各個環(huán)節(jié)都應(yīng)保持合理性，只有每個環(huán)節(jié)不出偏差，各個環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)中重要的組成部分，鋼筋的質(zhì)量和安裝方式將直接決定建筑整體的結(jié)構(gòu)安全以及可靠性。剪力墻的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)保證橫向鋼筋在外，縱向鋼筋在內(nèi)的準(zhǔn)則。對于地下結(jié)構(gòu)不僅僅要提供對于上部結(jié)構(gòu)的支撐力，還要傳遞載荷給地面，因此墻體整體的抗側(cè)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(yīng)當(dāng)采取橫向鋼筋在內(nèi)，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(shè)計(jì)也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)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(guān)設(shè)計(jì)中，相關(guān)從業(yè)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(jìn)行單獨(dú)的考量和設(shè)計(jì)（圖2）。在保證樓板設(shè)計(jì)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(jià)。

圖2 樓板設(shè)計(jì)

6.5 保障安全監(jiān)督和管控

設(shè)計(jì)院內(nèi)部應(yīng)建立完善的三級校審制度，通過制度保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。另外有條件的話，相關(guān)建筑企業(yè)也應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)院之外，設(shè)立相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案審核和監(jiān)督部門，負(fù)責(zé)審核設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)圖，如有疑問的話，與相關(guān)設(shè)計(jì)人員及時(shí)溝通，探討設(shè)計(jì)方案的合理性和安全性。如果過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的不合理之處和失誤，應(yīng)當(dāng)及時(shí)指出，避免相應(yīng)的設(shè)計(jì)錯誤和不足流入施工環(huán)節(jié)。

7 結(jié)語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中很多環(huán)節(jié)都會出現(xiàn)問題，有些問題雖小，但是也對結(jié)構(gòu)整體的安全性和可靠性造成了威脅。因此對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)者來說，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)調(diào)研，明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題，了解相關(guān)提高建筑整體安全性的舉措，依照實(shí)際的工程項(xiàng)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(jié)構(gòu)安全問題的發(fā)生。