建筑结构设计可靠度的影响因素与比较研究

吴子昊 肖 艳 湖北华祥建设工程质量检测有限公司

1 前言

20世纪50年代，我国便开展了大规模的基础建筑建设，但其建设标准相对较低，在建筑物的鉴定与评估工作中使用的检测技术较为落后，且多为治标不治本的临时措施。随着城市化的不断发展，大量的建筑物出现在人们的生活中。为了有效控制坍塌事故的发生，保障人们生命安全与财产安全。在此次分析中，将针对建筑物结构设计可靠性进行分析，结构可靠性指建筑物结构在规定时间以及规定条件下完成预定功能的能力。在此次分析中所设定的规定条件指建筑结构的设计使用年限以及正常施工正常使用维护下建筑的使用寿命，预设功能包含了建筑的安全性、适用性以及建筑结构的耐久性。通过对上述部分展开分析，提升建筑物的使用寿命。因此，需要设定相应的方案针对建筑结构设计可靠性的影响因素进行分析，并比较多种因素的比重，以此确定主要影响因素，设定针对性解决措施。

2 建筑结构设计可靠度概述

任何建筑物都会存在相应的质量问题，为保证建筑结构的质量，必须规定质量指标，即性能指标。通过文献研究可知，建筑结构设计的性能指标可分为三种，即建筑居住的安全性、建筑结构的适用性以及建筑结构的耐久性。建筑结构安全性指建筑结构在正常施工与正常使用的情况下，历经突发安全事故时与安全事故发生后的建筑结构稳定性。建筑结构的适用性可理解为该建筑物结构在正常使用条件下，满足各类预设要求的能力。通常情况下，在相应的研究中会设定对应的性能指标体现其具体数值内容，例如人们受到建筑物的影响情况以及建筑结构的损坏情况等。如果该建筑不符合人们规定的要求，将其称为结构不具备相应的适用性。建筑物结构耐久性指该建筑结构在正常维护的条件下，材料性能随时间变化出现的退化情况。

建筑结构具有相应的安全性、适用性以及耐久性，可以认定存在一定的可靠性。将上述三种性能合并称为建筑结构设计可靠性，为了便于理解，将其整合为定义的形式。在规定的时间内与预设条件下，可以实现建筑结构预定的功能，将这种情况称为建筑结构设计可靠性。为了对其进行系统的量化分析，结合可靠度理论，对内容进行优化。在规定的时间与条件内建筑结构可实现其功能的概率，称为建筑结构设计可靠度。通过上述理论分析结果，作为此次分析的基础内容并实现对建筑结构设计可靠度影响因素的细致分析。

3 建筑结构设计可靠度的主要问题

3.1 设计图不全面

建筑结构设计图不够全面，主要体现在以下方面：（1）忽视了对细节的把控，致使图中存在一定漏洞，导致部分设计图不符合相关标准要求；（2）设计人员没有将抗震设计融入图纸设计中，部分人员未在设计图纸中注明所需要使用的建筑结构墙体材料类型，缺乏设计说明；（3）部分结构设计图中没有详细数据，工艺注释不清楚，以致无法为后续施工提供科学指导，导致施工人员无法严格按照结构设计图纸中的要求来执行作业，影响施工效率；（4）相关人员未根据施工实际情况来科学审核结构设计图纸。

3.2 缺乏施工现场勘察

在开展建筑结构设计工作前，设计人员未深入施工现场进行实地勘察，对施工现场实际情况缺乏了解，没能获得可靠的设计参考数据，导致其在设计时出现问题，所设计的建筑结构图纸与实际情况不符，难以保障建筑工程施工顺利开展。缺乏施工现场勘察直接导致设计图纸中存在一定安全隐患，可操作性不高，不利于提升建筑结构稳定性。

3.3 未进行抗震设计

在建筑结构设计时，忽视了抗震设计环节，影响了建筑结构整体安全性：（1）未对建筑物抗震构件进行科学分析和计算，以致建筑物结构抗震性能达不到规定标准；（2）在设计时没从整体上综合考虑，致使建筑结构设计图纸存在问题，难以保障建筑结构承载力；（3）在设计过程中未选择合适的施工材料，计算建筑荷载取值时存在误差，导致最终设计结果不符合相关要求，建筑结构缺乏安全性。

3.4 缺乏房屋结构缝设计

在建筑结构设计时，设计人员忽视了房屋结构缝设计，没有根据建筑物所在区域气候环境和自然条件来进行科学设计，致使设计缺乏合理性和可行性。此外，在建筑结构缝处理中，仅采用浇灌方法来处理，只能解决建筑物外观的美观性问题，无法保障建筑物结构质量。

3.5 楼板变形程度计算不到位

在建筑结构设计时，缺乏对楼板变形程度的计算，导致计算数据准确性不高。部分人员在设计过程中，没有对建筑结构进行科学布局，缺乏良好结构设计观念，仅以力学模型为基础来进行楼板变形计算，致使计算结果与实际情况不符，导致建筑结构设计方案存在一定安全隐患。

3.6 地基与基础方面存在问题

部分设计人员在进行结构设计前，并未深入现场进行实地勘察，缺乏详尽的地质勘察报告，对建筑施工区域周围环境缺乏了解，容易导致建筑结构设计图纸和实际不相符，设计图纸缺乏合理性。在处理软弱地基时，并未引起相关人员重视，没有针对软弱地基采取有效处理措施，导致建筑物承载力达不到预期要求。

4 建筑结构设计可靠度的影响因素分析

4.1 荷载统计参数

有研究发现，荷载统计参数是影响建筑结构设计可靠性的重要原因之一。在建筑结构设计可靠性理论中，建筑物的使用年限通常指按照一定规定设计完成的结构或结构插件，不需要进行大量修理，即可完成预定使用期限目标的时限。通过研究可知，影响此期限长短的主要原因可分为荷载与耐久性两个方面。因此，在建筑设计过程中，需要设定一定的荷载标准值，取得结构安全与经济的最佳平衡。

根据文献分析结果可知，风荷载是影响建筑结构主要的荷载之一。对于建筑结构设计可靠性而言，风荷载是其主要的控制荷载，并主要影响建筑物的形变情况。在正常情况下，建筑物的迎风柱与背风柱之间的距离均不能超过一定的极限值，以此满足适用性要求。一般情况下，风荷载的数值可以通过规范给出的公式计算得到。对建筑物结构造成影响的荷载为雪荷载，考虑到房屋外层压力面积分布影响以及设计基准期最大荷载概率分布等元素，可将雪荷载的重现期分为1年、3年、5年、10年等。

钢筋混凝土结构构件由钢筋和混凝土两种材料组成，其抗力统计参数不仅受到上述三方面的影响，还与构件截面尺寸、配筋率、钢筋和混凝土的材料强度比值等因素有关，影响因素众多。规范中给出混凝土结构构件材料性能、几何参数及计算模式不定性的统计参数，以一种典型构件的设计参数为条件，根据抗力计算公式和统计数学中的误差传递公式计算得到各类构件的抗力统计参数。本文根据现行GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的材料性能和抗力计算公式对其进行适当调整。

4.2 建筑材料失效情况

除外界影响因素外，建筑结构设计中所选用材料的失效情况也会对其可靠性造成一定影响。通过分析可知，在正常的使用极限情况下，结构设计中使用材料的破坏程度与结构设计结果的使用年限具有一定关联性。结构允许的破坏程度取决于结构本身的耐久性与实用性，即取决于使用者对于建筑结构的主观因素。

综合在第一部分提出的外界荷载影响，在此部分中，将内部失效准则设定为两个部分。侧移或挠度失效准则，对于建筑结构设计可靠性而言，建筑物的结构失效通常由其位移所控制。在此次分析，将此两项的失效准则用于评估建筑发生位移后的失效可靠性，通过允许位移，保证结构的适用性。在现行的结构设计规范中，将建筑物设计结果规范于风荷载标准值下，若建筑物结构水平位移不超过规定值，则建筑物的可靠性较高；反之，建筑可靠性较低。舒适性失效准则，对于建筑结构设计结果，由于此次分析中的建筑物多为可拆卸结构，使用时间相对较短，暂不将其列入考虑范围。

在进行建筑结构设计结果的可靠性分析中，一般需要搜集大量的资料进行数据分析，对各个变量的概率分布参数进行分析。为了降低计算难度，将建筑结构的形变数据、材料性能荷载等变量在原有的基础上进行对比。通过此对比结果，计算获取材料敏感度，敏感度越高的材料其建筑结构设计后的可靠性越低。

5 建筑结构设计可靠度比较方法

在此次设计的方法中，将使用有限元分析法将建筑结构设计结果进行单元划分，并将其结构极限状态方程通过数据的形式表达出来。通过计算极限状态中各参数的分布情况以及统计参数的比值，得到有限元结构下建筑结构设计结果的标准值与均值，利用一次二阶矩方程得到此结构的可靠度。

在进行有限元分析的过程中，使用随机有限元对建筑结构进行分析，求出结构的随机反应，并根据此反应得到相应的平均值与结构的变异系数。将此计算结果与常用的可靠性分析方法相结合，对建筑结构设计结果的失效概率进行求解。使用此方法不仅可以求得结构可靠性的具体数据，还可以对建筑结构的外在载荷与结构材料进行分析，具有很好的计算效果。在有限元分析的过程中，需要进行大量的迭代运算，应选择更为高级的计算软件，作为有限元分析的载体。通过上述方法获取建筑结构设计可靠性的具体数值，并根据此数值完成对比过程，对比结果具象化体现，可设定相应的等级划分结果，确定建筑结构设计中的可靠度等级，以此完成建筑结构设计可靠度比较分析。

6 结束语

本文主要对建筑结构设计可靠度的影响因素与比较展开分析。通过研究相关文献得到了相应的可靠度影响因素分析结果，设定了建筑结构设计可靠度比较方法。本研究还存在不足，在有限元计算过程中未设定对应的边界条件以及建筑结构三维模型。今后的研究中将针对上述不足展开优化，以此获得更完善的建筑结构设计结果，提升建筑物使用年限，保证人们的生命和财产安全。