分析如何在建筑结构设计中提高建筑的安全性

分析如何在建筑结构设计中提高建筑的安全性

陈新岗

河北大千建筑设计有限公司 河北省邯郸市 056000

摘要：随着社会的发展，人们对建筑安全性的要求越来越高。为保证建筑的安全可靠，建筑结构设计必须在材料选用、结构计算和施工管理等方面综合考虑。本文通过分析优先选择抗震性能好、耐久性强的建材，采用安全冗余设计的结构计算方法，以及加强施工过程监控等策略，总结了在建筑结构设计和施工中提高建筑安全性的相关方法。这有助于指导工程建设实践，确保人们生命财产的安全。

关键词：建筑结构设计；安全性；材料选用；结构计算；施工管理

引言：建筑结构的安全性能直接影响着建筑的使用寿命和居住者的生命财产安全。因此建筑行业必须高度重视建筑安全性的提升。本文拟通过分析建筑结构设计中的材料选用原则、结构计算方法和施工管理要点等，探讨如何在建筑结构设计和施工实践中提高建筑的安全性和可靠性。这对促进建筑业的可持续发展，保障公共利益和社会安全具有重要意义。

一、材料的合理选用

（一）优先选择耐久性更高的材料

建筑材料的耐久性直接关系到建筑结构的安全性和使用寿命。在建筑结构设计中，应当优先选择和使用耐久性更高的建筑材料，这是保证建筑安全的重要手段。具体来说，建筑材料的耐久性取决于其自身的性能。如优良的混凝土具有较高的抗压强度、较好的保护层和防渗性，可以使结构在长时间内保持完好性；优质的钢材抗腐蚀性强，使用寿命更长。在材料选用时，设计师和建筑商应对这些耐久性能指标给予充分重视，科学选材，避免一些劣质或短寿命材料的使用，以保证建筑安全。同时，材料的耐久性还与工程建设的环境条件和防护措施密切相关。复杂的自然环境如海洋腐蚀、酸雨侵蚀等会加剧建材的损耗；人为破坏如事故撞击也影响耐久性。因此，结构设计时必须充分考虑项目环境特征和防护需求，通过设计手段提高建材的使用寿命。比如增加建材护层，加固易破坏部位等。这些也是保障结构安全的必要手段。可以说，合理选用和应用耐久性能更优的建筑材料，既可减少结构损耗和事故发生的几率，延长使用寿命，也可降低维护费用，提高建筑安全系数。这是实现建筑结构安全性的基础和前提。建筑行业必须重视材料本身特性与外部环境的匹配。

（二）优先选择抗震性能更优的材料

地震是危害建筑结构安全的重要因素之一。因此，在建筑结构设计材料的选用中，应当优先考虑和选择那些抗震性能更优的建筑材料，以提高建筑的抗震性和安全性。例如混凝土中掺入纤维可以提高其抗震能力；钢结构材料中优先使用韧性好、塑性大的材料则更加抗震。此外，一些新型建材如记忆合金、碳纤维等抗震性能也较为优异。在结构设计中，重点选择和优化这些抗震性能好的材料，对于提升整体结构韧性和应急能力非常必要。与此同时，连接件的选用也要充分考虑抗震需求，保证构件间连接可靠。除了材料自身特性，结构形式的合理选用也关键。规则结构更易于抗震；设置缓冲层和隔震、消能装置也是重要手段。因此设计方案的选取也会对提高抗震性产生重要影响。

（三）避免选用有安全隐患的材料

建筑材料的选用如果存在安全隐患，很容易会威胁到建筑结构安全，因此在设计和选材过程中应当严格把关，避免采用质量效果较差或有安全风险的建筑材料。劣质混凝土强度较差，受力和抗震性能较为缺乏；一些非法掺假建材更会影响结构质量。使用这些材料很可能导致事故危险，应被严格杜绝。此外，一些含放射性或有毒有害成分的建材也会对人体和环境产生潜在危害，这些材料的使用也是不恰当的。还有一些非法获取的原材料或工艺流程不完善的新型材料，其长期质量效果和安全性也尚待检验，在没有充分试验和论证前不宜投入实际工程应用。可以看出，结构材料的安全性直接关乎结构本身的安全可靠和使用安全。因此，设计和施工单位有责任避免使用那些尚不成熟或存在质量安全隐患的建筑材料，减少安全事故的发生概率。这需要建立完善的材料审查机制和供应商管理制度，从源头上杜绝安全风险。

二、结构计算的安全冗余

（一）采用较高的安全系数

在建筑结构设计的计算和分析中，采用较高的安全系数，是实现结构安全冗余的最基本也是最经济实用的手段。所谓安全系数，是结构设计计载荷与实际破坏荷载的比值。一般结构承受的实际荷载远远小于其破坏极限，两者的差值越大，安全系数越高，结构安全性也越可靠。采用更高的安全系数，等于提升了结构承载力的冗余度，在发生异常情况（如超载）时，结构仍能保证安全。常用建筑材料如钢材混凝土，破坏荷载有一定保障余量。因此这是结构计算中必须重视的原则。当然，不同部位和材料的安全系数也可以差异化设置。承重柱、梁壁等重要部位的安全系数应较高，一般为2-6；次要部位如楼面可以稍低为1.5左右。钢结构也可适当高于混凝土结构。这些细化设置可以提高关键部位的抵抗破坏能力，也便于合理铺开经济投入。因此结构设计要针对不同部位科学采用较高且合适的安全系数，以提升整体结构的可靠性。

（二）分析结构在极端情况下的安全性

除了针对正常使用状态设计计算结构安全性，结构设计中还需要通过模拟计算，分析建筑结构在可能遇到的各种极端情境下的安全性和破坏情况。这些极端工作情形的安全冗余计算，可以使结构设计更加全面可靠。这些模拟分析的极端情景可以包括:地震烈度远高于设防烈度的地震作用下结构的抗震性能；防洪标准以上水位条件下的抗冲击性；火灾高温作用下的稳固性；严寒极端气温下的材料应力性能；暴风吹袭下的结构风振响应；恐怖袭击等外部破坏条件下的抵抗性等。利用有限元法等计算手段，可以模拟这些情况，分析各关键部位的应力应变性能，判定结构在极端异常条件下是否会发生连锁反应的进一步损毁或坍塌，从而得出结构安全性的评估依据。这些针对罕见极端环境的结构分析，可以弥补正常设计状况外的盲区，提高系统的安全性，预测并防范在这些条件下可能的结构事故，提高建筑防灾减灾与事故抵抗能力。它们是实现结构设计安全冗余的重要手段。结构设计单位有必要开展这类极端情况模拟分析，以提升结构安全性。

（三）运用BIM技术优化结构计算

BIM技术的发展为结构设计的精细化和安全性冗余提供了技术支持。利用BIM技术平台集成的建模、模拟计算功能，可以有效辅助工程结构设计，对结构的安全性进行全面而精确的评估，进行各种方案优化，以提高结构安全冗余。基于BIM技术开展的精细化虚拟建模，能够细致还原建筑结构各部位的几何和材料特性；导入不同载荷组合，模拟结构在这些荷载作用下的内力分布和变形情况。进而可以分析结构的总体稳定性和局部构件的精细应力应变计算，判断结构安全系数。同时，该技术平台还可快速迭代和比较不同结构方案的计算结果，来选择安全系数更高的最优设计方案。与此同时，BIM技术的可视化显示结果，也有助于设计人员更直观地分析结构薄弱部位、潜在安全隐患等，进行针对性优化，大幅提升设计的精细化程度与安全冗余性。一些最新BIM系统还可支持自动结构拓扑优化算法，自动搜索出结构安全性更高的计算方案。

结束语：本文通过分析在材料选用、结构计算设计和施工管理等方面提高建筑安全冗余的策略，总结了保障建筑安全性的相关措施。这既符合经济效益，也实现社会效益。期待以上研究成果能为实际工程建设提供参考依据，促进建筑业的安全可持续发展。

参考文献：

[1]曾宪煇.框架结构设计在建筑结构设计中的应用[J].居舍，2024，（04）:108-111.

[2]李强.超高层建筑结构设计的优化与安全性分析[J].城市建设理论研究（电子版），2023，（33）:73-75.

[3]吴建辉.浅谈在建筑结构设计中如何提高建筑的安全性[J].装饰装修天地, 2019, 000(002):205,208.DOI:10.3969/j.issn.1006-2122.2019.02.202.