土木工程结构设计安全性及经济性

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现阶段，我国社会经济的快速发展，推动了城市基础设施建设，使得土木工程项目建设数量不断增加。在土木工程施工过程中，结构设计是最为关键的内容，为了保证工程建设的安全性和经济性，需对结构设计加以重视。但是，在结构设计中依然存在很多不足，因此，需对结构设计中存在的问题设施有效的处理措施，严格依据各种规定和标准，确保后期施工能够有序开展，提高土木工程经济性和安全性，提升土木工程项目经济效益。

1土木工程结构设计的意义

土木工程结构设计会对整个工程建设质量产生直接影响，在结构设计时，相关人员需对安全控制加以重视。我国建筑领域快速发展，为了满足人们对住房的需求，对建筑结构的各种功能提出了更高的要求。因此，为保证工程施工的质量与稳定，必须提高对于结构设计的关注度。与此同时，土木工程结构设计与工程建设有着必然的关系。在土木工程施工活动开展之前，需注重结构设计环节，如果在此过程中出现问题，则会影响到后续施工进度。如果发生较为严重的问题，则容易造成风险事故，甚至会危害到人们的生命财产安全，使得企业需承担巨大经济损失。另外，在城镇化建设背景下，基础设施工程项目不断增多，社会各界对于土木工程结构设计质量的关注度显著提升。因此，设计工作者应对土木工程结构设计质量和水平进行改善，为现代化城市的可持续发展提供保障[1]。

2土木工程结构设计安全性优化策略

2.1推广应用新结构、新技术

土木工程结构设计时，不但要重视整个结构规划方式和尺寸测量，还需更新结构设计观念，并选用各种适宜的施工工艺。在设计过程中，需对科学技术进行持续创新。与此同时，我国经济的快速发展，对土木工程结构设计企业提出了更高的要求。对此，相关设计企业需对市场中的建筑材料展开全面调查，掌握结构设计技术和材料工艺的发展情况，防止设计观念落后而无法满足当前工程建设的设计需要，确保结构设计的可靠性。例如，在工程建设过程中，需使用大量混凝土材料，其会直接影响到工程项目整个施工质量。在工程建设过程中，纤维混凝土为新型混凝土材料，其是由纤维、水泥等原材料根据一定配合比拌合所形成的，与以往混凝土材料对比，其抗碱性和抗拉性优势显著，同时，还可有效改善混凝土结构的耐久性和强度。在工程建设中采用纤维混凝土，能够防止裂缝，提升混凝土结构的稳定性。另外，再生混凝土通常被广泛应用于工程施工，在配制该材料时，可应用各种废弃混凝土材料，再加入适量粗集料均匀搅拌后，在工程建设中应用再生混凝土，不但能够改善能源利用率，还可节省大量资源，同时也能有效提高土木工程结构设计稳定性。

2.2加强结构耐久性设计

土木工程结构设计中，为了提升结构耐久性，大多数设计工作者的关注重点在于各类荷载所发挥的作用，因此没有重点关注各类复杂环境因素对结构所产生的影响，如果没有采取有效的控制策略，则会使得混凝土材料、钢筋材料等发生腐蚀现象，难以确保结构设计质量。因此，在结构设计过程中，需安排专业人员对工程设计方案实施全面分析以及严格审查，若存在各种问题，则需及时进行优化调整，保证设计方案能够通过审查[2]。

2.3选择合理的结构设计参数

在土木工程结构设计过程中，通常包含较多内容，具有复杂性的特征，因此，需对各个环节的设计参数加强控制，主要涉及施工人员、机械设备、各类材料等。若设计工作者未选择合理的设计参数，不但会使施工成本显著增加，并且在实际施工中容易引发安全事故。

2.4细化结构设计说明

在土木工程项目设计图纸的编制过程中，应确保具备细致的结构设计说明书，主要内容包括各项施工注意事项、工程建设基本信息、施工工艺方案等，可为实际施工提供可靠依据，有利于作业人员开展技术交底工作，保证整个工程施工质量。一般状况下，项目设计图具有一定的局限性，而说明书也不够详细，对此，在对设计说明书进行编制时，需保证言简意赅，并明确指出关键问题，防止作业人员理解不透彻而影响工程施工进度和质量。

3土木工程结构设计经济性优化策略

3.1落实限额设计

为了能够降低土木工程结构设计成本，需落实限额设计观念。在开展结构设计之前，需与相关企业进行沟通，明确设计限额标准，随后根据规定要求和标准进行结构设计，防止发生超额的情况。

3.2合理选择标准图集

依据标准图的要求，提高结构设计的可靠性，与此同时，减少设计过程的失误率，降低工程施工资金投入。在进行小规模土木工程结构设计时，如使用标准图，能够充分保障结构设计的合理性和稳定性，并且还可增加工程项目经济收益。然而，如果土木工程建设规模比较大，则所涉及的施工内容较多，且施工技术工艺复杂程度高，施工周期较长，若只采用标准图，则会增加施工成本，因此，设计工作者需依据工程施工具体状况选用科学合理的标准图，并完善结构设计，保证工程施工能够有序开展，提高工程项目经济收益。

3.3避免结构设计变更

在工程建设过程中，通常会遇到设计变更的情况，这一问题的诱发原因也较为复杂，例如，相关单位之间没有建立有效的沟通渠道，在工程设计过程中，提出新的建议，或者受到环境因素、突发事件等的影响，都会造成结构设计变更的情况，不但会对结构稳定性和安全性产生影响，还会延长工程建设周期，影响整个土木工程项目经济效益。因此，在结构设计过程中，需依据相关单位规定的具体要求开展结构设计工作，并对工程施工现场进行详细勘查，参考类似工程建设结构设计内容，对设计变更进行优化调整，尽可能防止出现设计变更的情况。

3.4科学利用钢结构

在土木工程施工过程中，通过采用钢结构，可有效改善结构的稳定性和抗弯性。钢结构具有良好的冲击韧性与抗拉性，如果发生地震灾害，或者受到大风天气的影响，钢结构可发挥优势作用，提升结构稳定性和完全性。在制备钢材期间，需应用各种防锈技术，可加合金元素或在结构表面镀锌。与木结构和混凝土结构进行对比，钢材结构的强度具有明显优势。如果受力效果一致，则钢结构的重量较轻，便于安装作业，与此同时，其截面面积也较小，可应用于跨度大和承载高的结构设计施工中。因此，在土木工程结构设计过程中，应当合理应用钢结构，可有效防止混凝土结构出现裂缝、坍缩等现象，确保整个工程结构的稳定性，减少施工成本。

3.5加强沟通协调形成良好工作合力

在土木工程项目施工过程中，通常会涉及各个部门，在实际施工期间，若各个部门之间没有建立良好的沟通协调机制，则会使得后期施工难以有序开展，对此，需制定全新的工程施工方案，导致施工成本大幅提升。对此，各部门之间需加强沟通和交流，才能够有效处理结构设计中出现的各种问题，并且还能够及时采取针对性的解决措施，合理规避各类隐患，减少企业资金投入[3]。

4土木工程结构优化设计实例

4.1项目概述

本工程为一梯两户住宅楼建筑，5层框架结构，建筑物总高度为15m，每层高度为3m，总体面积为1250m2，抗震设防标准为丙类，抗震设防烈度为7度，基本风压0.3kN/m2。对于风荷载标准值，可采用计算软件进行计算分析，该工程建设场地类别为II类，地面粗糙类别为B类。结构整体透视图如图1所示。

4.2两种设计方案对比

4.2.1钢结构方案

在应用该方案时，柱网开间的最大面积为10m×4.8m，对于所有梁柱部件，均需应用Q345钢作为原材料，柱结构为焊接箱型钢柱，梁结构焊接中采用H钢梁，在框架横纵梁柱结构链接中，需按照刚性进行连接。在工程建设中，各个楼层结构承受的弯矩和轴力不一致，为了能够充分发挥出所有结构的应力，各层柱需合理应用各种截面的柱，减小对梁结构的影响[4]。在结构设计时，可应用PKPM系列软件进行STS建模。钢结构方案中构件参数见表1。通过对表1进行分析，该工程项目抗震烈度为7度，通过应用此方案，能够对主结构强度进行有效控制，同时充分发挥出钢柱的强度性能，并且可对长细比和轴压比进行有效控制。如果钢梁满足弹性挠度规定的要求，则可最大限度发挥出Q345材料强度性能。

4.2.2钢混结构方案

应用该方案时，柱网开间最大值未发生变化，依然是10m×4.8m，在梁柱结构施工中，采用C30混凝土材料，同时还需采用框架结构方柱。而各个楼层所承受的轴力和弯矩作用不一致，为了能够最大限度发挥出结构应力，各层需应用截面不同的柱。1~4层需采用相同截面，5层则使用其他类型截面。在结构设计时，需应用PMCAD建模，而在计算时，则需采用SATWE-8空间软件，计算结果如图2所示。通过对图进行分析，柱一根角筋的面积为As_corner，通过双偏压方式计算，所得结果应低于角筋面积；在应用单偏压进行计算时，所得结果应大于角筋面积，单位为cm2；柱B边配筋为Asx，单位为cm2；Sc区域内箍筋为Asv，主要指的是斜截面抗剪箍筋内的最高值，单位为cm2；柱的轴压比为Uc。钢混结构方案相关参数见表2。

4.3经济性对比

4.3.1基础材料用量对比

方案一是钢结构，方案二是钢混结构，对这两种方案中的钢筋用量、混凝土单位用量、结构自重进行分析，两种方案基础材料用量对比见表3。通过对表3进行分析，与方案二对比，方案一结构重量少23%。在该工程项目建设中，如果应用方案一结构设计方案，梁柱采用的是型钢，因此，上部区域结构重量比较轻，基础承受能力较差，钢筋使用量为2.36t，混凝土则为32.54m3。在应用方案二结构设计时，由于钢梁采用的是钢混部件，使得上部区域结构重量相对较大，在与方案一对比时，基础承受能力较强，钢筋使用量为2.75t，混凝土则为42.65m3。

4.3.2结构设计经济性对比

通过上述分析，在该工程项目建设中，如果采用方案一，则工业化程度比较高，施工进度快，有利于各楼层进行交叉施工。所有梁柱结构均由工厂生产制造完成，再直接运输到施工现场实施安装，通过应用机械化施工方式，可显著提高工程建设效率[5]。在这一方案中应用H型钢梁，梁柱由工厂制造完成后运输到施工现场，并采用起重吊设备进行安装，可降低模板安装作业量，通常情况下，3d即可完成一层楼的钢架装配作业，15d左右即可完成上部区域结构作业。在应用方案二时，需在施工现场完成混凝土养护、砌筑、梁板支模等作业，通常也会受到天气因素影响，有可能会出现延长施工周期的情况。在混凝土浇筑施工中，需应用现场支模方法，7d才可完成一层楼的作业，35d左右才可完成上部区域结构作业。由于天气条件对方案一影响不大，因此，各楼层施工周期可减少1d，预计10d即可完成全部工程建设。与方案二对比时，其施工周期可缩短25d。

5结语

随着我国城市化的进程不断加快，土木工程项目持续增多，社会各界对工程施工的质量和安全性提出了更高的要求。对此，在土木工程建筑结构设计过程中，科学合理的规划建筑结构布局最为关键，同时要遵照相关规定要求和标准，提高工程项目经济收益，保证建筑整体结构的安全性，为推动建筑行业可持续发展奠定基础。

作者：尹永青 单位：山西省建筑设计研究院有限公司