探微土木工程结构设计中的安全性与经济性

陈松庭

在土木工程中，土木工程结构设计占据着至关重要的地位。在结构设计过程中要考虑到设计的安全性和经济性，土木工程结构设计必须有效满足建设项目的要求。本文首先对土木工程结构设计中的问题进行了分析，然后提出了优化土木工程结构安全性管理的有效策略，进而对土木工程结构设计经济性控制措施加以阐述。

土木工程结构设计的安全性和经济性直接影响着整个工程的经济效益和社会效益。土木工程结构设计最重要的是要保证结构设计符合建筑标准，土木工程师需要按照结构设计的要求来确保整个工程的质量。

一、土木工程结构设计中的问题

近年来，由于结构设计不当造成的安全事故频频发生：地铁下陷、楼盘倒塌等，这使人们再次关注到设计的重要性。为提高结构设计的安全性和经济性，首先要分析目前结构设计中的普遍性问题，再设计科学合理的解决方案以提高结构设计的合理性及有效性。目前，工程结构的设计主要存在以下问题：

1.结构稳定性较差

结构的稳定性和变形能力将直接影响到建筑物是否容易造成倾斜或者倒塌。稳定性当中包括了建筑的耐久性以及安全性等综合素质，例如2019年8月28日深圳一小区楼房倒塌，据专家组现场研判后初步认为：因房屋基底土层较差，在暗渠水流常年作用下引起桩身周围的水土流失和桩身的腐蚀，最终造成桩基础发生脆性破坏，导致楼体局部倾斜下沉。因此，土木工程构件设计中的稳定性研究和变形能力的保证必须引起设计者足够的重视。

2.耐久性不足

耐久性保证了建筑物能够在规定的使用年限内保持正常的使用功能。我国疆域辽阔，每个地区的地质条件和环境特征也会发生许多变化。如果在建筑设计中，设计者未充分考虑到环境因素的影响，则会发生建筑物腐蚀或开裂等问题，从而影响建筑物的使用寿命并降低其耐用性。

3.抗震性能较低

我国属于板块变动较为强烈的区域，经常受到地震的影响。因此，为了确保工程的安全性和经济性，设计人员有必要对建筑结构设计进行评估和检测工程的抗震性能，建筑物才能够做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”。但是，抗震设计中设计人员经常忽略抗震的构造要求，在地震来临时，会造成承重墙倒塌而威胁人类生命。

二、优化土木工程结构安全性管理的有效策略

1.完善土木工程结构设计方案

为提高项目的安全系数，结构设计要有完整的项目策略并优化设计理念，创新设计思路，重点要把握好结构设计中的不稳定因素，以更好地实现控制和降低设计风险的目标。

2.定期全面安全检测土木工程

为提高项目的安全性，设计单位应构建严密的安全管理系统，对实施的每一个环节进行监测，提高监视级别，改善项目的安全系统并切实履行职责。同时，建立科学的方法和制度，以鼓励设计人员提高项目水平并使用先进技术来提高项目安全性。

3.土木工程运用新型材料和技术

在土木工程结构的建筑中使用新材料可以提高土木工程结构的安全性。随着科学技术的不断进步，新型材料已开始渗透到建筑施工中的各个方面，新材料应用促进了土木工程的快速发展。例如，土木工程纤维复合材料的使用具有巨大的优势，降低了材料成本，提高了土木工程的质量和安全性。进一步完善并集成企业运营管理信息系统、生产经营管理信息系统，实现企业管理信息系统的升级换代，深度融合BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算等信息技术，实现BIM与企业管理信息系统的一体化应用，促进企业设计水平和管理水平的提高，从而使土木工程结构的安全性得到进一步保证。

三、土木工程结构设计经济性控制措施

1.对土木工程结构设计方案进行科学评估

土木工程结构的设计者需要增强对控制成本的了解，科学地评估建设项目的设计结构，增强相关设计的科学性，并在每个阶段降低成本，优化土木工程创建和工程设计。例如某银行大厦因为局部需要改变建筑的使用功能，因此要对结构的整体性以及局部受到影响地方进行科学评估，采用回弹——钻芯综合法对每一层的梁或柱进行检验，结果发现第5、6层的梁构件实测混凝土强度满足不了新的用途要求，对此可以采用以下两种方法进行加固：（1）置换砼加固法，通过该方法进行加固不会对建筑物净空造成影响，然而施工时间较长需要结合工程工期合理选用。（2）有粘结外包型钢加固法，该方法是将钢板或是型钢在梁构件外部进行包裹，在钢筋砼梁加固中使用该方法时，一般借助湿式外包法进行，就是借助环氧树脂化灌浆以及其他方法将梁构件和型钢粘结为一体，完成加固后，因为受压与受拉钢的截面积增大，使得正截面刚度以及承载力增加。该方法具有现场工作量少、受力可靠以及施工便捷等优点，然而需要大量钢材提供支撑，同时需要做好防护措施。置换砼加固法和有粘结外包型钢加固法各有利弊，应择优而用。

2.采用灵活的土木工程结构设计思路

在土木工程结构设计中，有必要打破惯性思维，并灵活的考虑设计的每一方面。工程的设计人员必须选择一种严格的科学且适当的方法来创建工程的设计方法，从而保证土木工程结构设计的经济性。比如目前在我国的大跨度建筑工程以及特殊的结构中可以进行预应力技术的创新，即采用体外预应力技术。体外预应力指的就是预应力筋设置在混凝土截面之外的预应力，与设置在截面内部的预应力筋进而完成无粘结或者是有粘结的预应力相对应。这种预应力技术的创新有两个体系，一个是有粘结体外预应力体系；另一个就是无粘结体外预应力体系，这两个体系各有自己的特点，这是作为后张预应力体系的一个主要的分支，从体外预应力与传统的预应力体系进行比较可以看出它的优点——对土木工程结构设计的安全性以及经济性起到了很好的积极作用。

3.选择合理的土木工程结构类型

为了节省成本并改善土木工程的经济性，有必要结合现实情况来科学选择土木工程结构类型。例如，当设计框架时，必须确保框架的尺寸和数量的设计，降低成本并提高经济效益。在土木工程中需要严格把握的截面尺寸的构件主要有柱、梁、板三种。柱尺寸的确定首先要进行中柱截面尺寸的计算，确定后再进行整个结构恒荷载、活荷载等数值的估算。梁尺寸需要以柱距为标杆，也就是说当柱距的数值一致时就能够保证跨梁、中柱连系梁等梁的尺寸相等。限制板的挠度等因素确定了板尺寸。

4.合理使用钢结构，提升土木结构设计的安全性与经济性

钢结构的合理使用对于建筑的抗弯性能是有所提升的，它从整体上提高了建筑的安全性，保障了企业的经济效益。一般来说钢结构的技术施工可以使用不同的型材所组成的钢结构来提升土木建筑的抗弯性能，因为钢材的材料特性能够使得建筑物的力学性能更加完好。当建筑物在进入使用阶段后，良好的抗拉性能和冲击韧性是可以更好的应对地震等自然灾害的，从而提高了建筑的安全性。结构用的钢材在压制过程中采用镀锌、加合金元素等工艺进行防锈处理，与木材、砼等结构材料相比，其强度更高。基于相同受力条件下，钢结构构件截面更小，自身较轻，安装便捷，适用于承载重、跨度大的结构。因此，钢结构的技术引入有利于控制混凝土结构的开裂、坍缩等现象，使用钢结构的技术对于土木工程的施工是可以有效的避免传统钢筋混凝土结构所存在的一些缺陷，这不仅能提升了建筑的安全性，同时也降低了后期维修养护的费用。