土木工程结构设计中实现安全性与经济性的措施探析

杨国华

（山东协和学院，山东 济南 250107）

土木工程在建筑领域占据重要地位，概括来讲建筑工程大部分都与土木工程息息相关，因此各大建筑公司和施工企业应当不断提升土木工程结构设计和建造能力水平，强化土木工程质量，才能够推动建筑行业欣欣向荣发展，为服务社会、服务大众发挥建筑工程优势。在土木工程中，结构设计是建造土木工程的关键环节，土木工程结构设计的安全性和经济性对整体工程建设起到了重要影响，不仅关乎建造质量，更是关乎广大民众的生命安全。因此研究土木工程结构设计的安全性和经济性问题具有重大现实意义，广大建筑公司和施工企业应当将安全性和经济性放在建设的重要位置，积极探索和采取有效措施，不断提升土木工程结构设计的安全性与经济性。

1 土木工程结构设计概念和必要性

1.1 土木工程结构设计的概念

在我国建筑行业，土木工程结构设计通常是指采用合理、科学、现代的方法，根据建筑大小标准、选择合适的建筑材料，以建筑骨架的形式来有效抵御建筑结构承受的作用力、抵御自然灾害，主要利用建筑结构基础、建筑墙、建筑柱，以及建筑结构中的梁、板，还有楼体等结构要素来规划和设计建筑工程的结构系统，使得建筑更加牢固、安全。

1.2 土木工程结构设计的必要性

土木工程结构设计的必要性主要体现在以下几个方面：一是保障整个土木工程质量的基本前提，在土木工程的施工和建设之中，前期的结构设计相当于整体工程的“骨架”，而后续装修装饰和美化施工相当于整体工程的“皮肤”，只有搭建好了“骨架”才能使得“皮肤”良好附着，使得整体工程“焕发生机”，一旦“骨架”搭建出现了问题，那么整体工程的质量和效果将会大打折扣，问题较轻可以通过修复的方法来修正问题，如果情况严重只能重新完成建设，因此土木工程结构设计是保障土木工程质量的基本前提，必须要提高设计的安全性和经济性，增强设计的科学性与合理性，在设计中要仔细考量，杜绝各类安全隐患，提高土木工程建设的经济效益；二是牢筑整体土木工程结构安全的基本保证，土木结构设计通过利用现代建筑学中的理论知识，结合土木工程实际建造情况和建造需求，站在科学的角度全盘考虑设计，以降低土木工程在建设中、交付中以及未来使用中面临的各类安全风险，从而保障土木工程建设的安全性，为人们的生命安全、财产安全提供有力保障，为建设企业和施工企业规避经济损失，因此土木工程结构设计是牢筑整体工程结构安全的基本保证。

2 土木工程结构设计安全性与经济性的关联分析

土木工程结构设计中，其安全性设计和经济性设计之间互为联系，二者缺一不可，具体而言二者的关联主要体现在以下几个方面：一是土木结构的安全性是提高经济效益的前提，因为只有保障建筑工程运行稳定、保障使用土木建筑的群众生命财产安全，才能提高整体土木工程的经济效益，一旦土木工程在结构方面存在安全隐患，那么将会对相关企业和社会造成重大经济损失；二是土木结构的经济性与安全性是矛盾统一的整体，因为如果过度强调结构设计的安全性，那么将会使得结构设计的经济性降低，换言之就是会增加结构设计的成本与费用，但是如果过度强调项目建设的经济性，那么将会使得土木工程结构的安全性降低，这与整体土木工程质量和安全重要性相背离。因此，在土木结构设计中应当重点关注经济性与安全性的有机统一，科学协调经济性和安全性，使得二者之间相互平衡，在保障安全性的基础上适当考虑经济性，假如设计单位的设计水平较高，可以在保证结构设计质量与安全的情况下提高施工效率和材料利用率，在结构设计安全性能保障的情况下，可以通过减少不必要的结构设计来实现土木工程建设成本降低。

3 土木工程结构设计中提升经济性与安全性的措施

3.1 土木工程结构设计中提升经济性的措施

3.1.1 选择合理科学的标准图集设计

想要提升土木工程结构设计的经济性，相关设计单位在结构设计当中应当选择合理科学的标准图集进行设计，在设计的时候采用标准图、采用行业标准的图像和标识，使得结构设计的稳定性与合理性得到有效保障。但是针对一些要求特殊、规模大、工期长的土木工程建设，并且涉及的工艺复杂的时候，设计单位应当按照工程实际情况选用与之相对应的图集来完善结构设计，从而实现提高经济效益的目的。

3.1.2 严格落实限额设计

土木工程结构设计应当有一定的预算，严格落实限额设计可以避免设计超支，在合理的预算内实现结构设计安全性和经济性的统一。因此，相关设计单位在进行结构设计之前应当加强与业主单位和建设单位沟通，明确整体预算和结构设计预算限额再开展设计工作。

3.1.3 尽量规避结构设计变更出现

在土木工程建设当中，设计变更较为常见，并且变更的原因主要是受到业主方、建设方、施工方等多方的意见影响，或者沟通不畅而导致，所以在实践当中，设计单位应当尽量避免结构设计变更出现，通过与各单位加强沟通协作、认真考察建设环境、仔细分析建设要求，做好设计前的准备工作，从而有效规避设计变更，减少因为变更产生的不必要成本。

3.1.4 利用钢结构进行科学设计

在土木工程结构设计当中，现代化的土木结构设计通常采用钢结构设计来有效改善建筑结构的稳定性和耐久性，同时钢结构与木质结构等相比更具优势，具有良好的抗震性。因此如果在满足建设方或业主方的需求时，设计单位可以多采用钢结构设计，一方面钢结构便于施工安装，截面面积也相对较小，有利于提高施工效率，另一方面钢结构成本相对较低可控，可以降低施工成本。

3.2 土木工程结构设计中提升安全性的措施

3.2.1 积极推广和应用先进的技术、先进的结构

想要提升土木工程结构设计的安全性，可以积极关注行业动向，积极关注前沿的设计理念和思想，应用科学、先进的结构施工技术，选用新型结构材料等，使得土木结构设计更加安全、科学和先进。具体而言可以从以下几个方面来开展实施：

一是相关设计单位在设计工作开展前要深入调查建筑市场，一方面要重点关注行业动向，了解相关新型材料、先进的施工技术和结构设计技术等，认真分析研究土木工程结构设计发展趋势，增强设计的先进性与科学性，避免因为设计落后而导致设计的安全性降低。

二是建设和施工单位应当在施工当中按照设计要求积极应用新型材料和安全系数高的建筑材料。在土木工程建设当中，如常见的钢筋混凝土结构需要用到大量的钢筋混凝土材料，所以混凝土的质量对整体项目的安全程度、项目质量产生直接影响，因而应当根据实际情况选用先进新型的混凝土材料，例如纤维混凝土，此类混凝土与传统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结构的耐久性和强度，其安全系数更高。此外，还可以积极改进施工工艺和技术，例如新型预应力技术，与传统的预应力技术相比，能够使得预应力筋的粘结或无粘结预应力相对应，从而产生较小的摩擦损失，其中体外预应力技术可以使得结构刚度得到改善与提高，增强抗裂性能。

3.2.2 根据科学合理的参数进行设计

由于土木工程结构设计具有复杂性特征，并环节步骤较多，内容广泛，所以想要提升土木工程结构设计的安全性，就应当对结构设计的各个环节相关参数加强控制，比如相关施工人员、施工机械设备以及施工相关材料等，如果设计单位没有对设计参数严加把控，很容易在实际建设施工中引发一些安全事故，所以必须要严格把控设计参数，尤其是结构的轴压、刚度、剪重比等关键性参数。

3.2.3 结构设计说明进行细化完善

想要提升土木工程结构设计的安全性，相关设计单位应当在规划编制设计图纸的时候，详细注明相关结构设计说明，呈现详实细致的结构设计说明，避免施工人员因为不清楚设计说明而错误施工，降低结构设计的安全性。首先设计说明应当全面包括施工工艺方案、施工要点、施工基本信息，从而为施工提供可靠依据，推动施工人员顺利进行技术交底，从而提高施工质量，保障项目工程安全性；其次是在编制相关说明的时候要注重表述关键性问题和要点问题，简洁明了的说明结构设计的关键点，避免施工人员因为不清楚、不理解而影响工程质量与工程进度。

4 土木工程结构设计提升安全性与经济性案例分析

前文详细分析了土木工程结构设计中经济性与安全性关系以及提升的策略，接下来笔者将以具体的项目案例来分析对比不同土木工程结构设计所体现的安全性和经济性。

4.1 项目概述

该项目为厂房建筑，其土木工程结构设计如下：结构总长度120 m，檐口高度15 m，屋架跨度为 27 m；设定其防震类型为丙类，防烈度为6级；当地的基本风压通过测算得出为0.8 kN/m2，经现场勘察可知，土类别为Ⅲ类场地土，地基土容许承载力[σ0]≤250 kPa的粘性土和[σ0]≥130 kPa的填土。

4.2 结构设计方案比较分析

4.2.1 土木工程结构钢结构设计方案

在这一设计方案中，全面采用钢结构来进行建造，梁采用 H 型钢梁，柱子采用箱型的钢柱，屋架杆件设计注重压杆短、拉杆长，并且屋架杆的受力相对合理，且可分为两个小桁架来进行制作，运输也较为方便，屋架形式以及几何尺寸如图1所示。

图1 屋架形式和尺寸

同时，由于厂房的长度是大于60 m的，而且跨度是27 m，综合考虑应当在厂房柱间设置水平支撑，因此在第二柱间设置上弦水平支撑，在厂房中部设置垂直支撑和下弦横向水平支撑，并且在各个支撑间设置三道系杆。根据相关数据，通过设计软件可以对其钢结构进行计算，计算出的相关参数如表1所示。

表1 钢结构方案相关参数

4.2.2 土木工程结构钢混结构设计方案

钢混结构与钢结构最大不同点在于采用了大量的混凝土材料，并且还设置了框架结构方柱，方柱的截面不同，相关参数如下表2所示。由于采用钢混结构，因此参数仅涉及轴压比方柱配筋率和方柱最大轴压比。

表2 钢混结构方案相关参数

4.2.3 二者设计方案经济性对比

首先从结构设计层面来说，钢结构设计由于全面采用钢材材料，其工业化程度非常高，而且从施工层面而言钢结构的施工程序、施工工艺简单，因此施工进度较快，在不考虑主观因素和不可控因素的情况下，20～30 d之内可以完成施工，而钢混结构设计由于需要用到混凝土，混凝土浇筑施工工序复杂、工期长，并且还需要模板支撑，因此整体施工期需要延长，需要40～50 d能够完成，并且混凝土浇筑容易受到天气影响。其次从材料层面来说，虽然钢材价格要比混凝土价格高一些，但由于钢结构设计整体工期短、施工效率高，因而整体造价要比钢混结构设计的造价要低，所以钢结构设计的经济性相对较高。

4.2.4 二者设计方案安全性对比

从设计的安全性来说，由于二者都采用现代建筑工艺，且都使用钢结构，所以其稳定性、耐久性以及抗震性都较高，整体土木工程项目质量都有保障。

4.3 结论

通过对比可知，钢结构设计和钢混结构设计的安全性基本一致，二者的安全性都比较高，整体土木工程的质量比较有保障；从经济性层面而言，钢结构设计可以有效提升施工效率，甚至缩短施工建设时间，整体造价相对较低，因此采用钢结构设计可以有效提高土木工程建设的经济效益。

5 结语

综上所述，随着我国社会经济迅猛发展，土木工程各类项目数量长期呈上升趋势，同时国家和社会对其施工的安全和质量提出了更高要求的标准。在这样的背景下，土木工程结构设计应当全力平衡设计的经济性和安全性，一方面要合理布局规划，另一方面要坚守相关规定和标准的设计底线，在保障土木工程质量和安全的基础上提高经济效益，从而推动建筑行业发展。