關于土木工程結構設計問題及優化策略探析

王磊

(山西筑城建筑設計有限公司，山西 太原 030006)

土木工程結構設計是建筑設計行業的重要分支，涉及工業與民用建筑工程、橋梁工程、隧道工程、水利工程等多個領域。隨著社會經濟的發展和科技水平的提高，土木工程結構設計的要求也越來越高，設計師們需要面對更加復雜和多樣化的問題和挑戰。因此，針對土木工程結構設計中的問題和挑戰，探討優化策略和方法，對于提高土木工程建筑結構設計的質量和效率具有重要的意義。

隨著現代建筑行業的不斷發展，在土木工程結構設計實踐過程中，針對建筑功能的合理布局，結構選型及設計的合理性，建筑物良好的抗震性能等對結構設計專業均提出了越來越高的要求。土木工程建筑結構設計人員在設計過程中，要全面考慮建筑結構的布局、荷載的合理取值以及建筑具有良好的抗震、抗風等性能要求，以確保建筑結構的安全可靠性。為了解決這些問題，設計師必須遵循一定的設計原則和優化策略，以提高結構設計的安全和可行性，提高建筑結構設計的水平，推動建筑行業的長久運行和發展。

1 土木工程結構設計的重要性

土木工程建筑結構設計的重要性在于其確保建筑物的安全性、穩定性和合理性，設計土木工程建筑結構的首要任務就是維護建筑物在使用過程中的安全，合理的結構設計能夠抵御自然災害和外部荷載，減少結構的受力集中和破壞風險，保護使用者的生命和財產安全。結構設計要追求建筑物在自身重力和外部荷載作用下的平衡和穩定，合理設置結構的布局、構件截面形狀、支撐和抗扭措施，保證了結構在各種受力情況下都能保持穩定，不發生塌陷、倒塌等事故。

特別是在地震帶區域，土木工程建筑結構設計考慮地震荷載的作用，采取了多種措施，包括合理的結構布置、增加抗震構件和加強連接方式，優化了結構的抗震性能，降低了地震發生時建筑物受損和崩塌的風險。結構設計也考慮材料的合理使用和能源的節約利用，減少非節能材料的使用量，提高了結構的安全和合理性，實現了資源的合理利用和能源的節約[1]。

2 土木工程結構設計中存在的問題

2.1 基礎選型問題

在設計過程中，如果對地基的處理措施不當或選擇不合適的基礎結構類型，可能導致地基承載力不足的情況，導致地基出現沉降過大和不均勻沉降現象，對上部結構的穩定性和安全性產生負面影響。

2.2 結構強度問題

結構強度是指結構在受到外力作用時不發生破壞的能力。在土木工程建筑結構設計中，經常需要考慮結構的強度問題，以確保結構的安全性和穩定性。

2.3 上部結構設計是否合理的問題

在建筑結構設計中，針對上部主體結構的設計，往往存在不嚴謹的情況。例如，設計圖紙過程中未按照規范及圖集要求注重構件連接節點的設計，導致地震發生時，結構主體受力未按照設計預想的安全程度導致破壞。從而導致建筑結構的安全性、耐久性受到了影響。

3 土木工程結構設計應遵循的原則

3.1 合理性原則

土木工程建筑結構設計應考慮工程實際情況和特點，進行充分分析和研究，制定合理的設計方案。設計師要了解土木工程材料的力學性能和結構設計方法，考慮結構受力、荷載情況以及使用要求，確保設計方案達到經濟、安全、耐久和可行的要求。對土木工程材料的力學性能進行分析，熟悉常見的土木工程材料，如混凝土、鋼筋、鋼材等，了解它們的物理性質、力學特性以及在不同受力狀態下的行為，研究材料的強度、剛度、抗剪強度、抗壓強度、抗拉強度等力學性能指標，以及這些性能如何隨時間、溫度、濕度等變化。

考慮結構受力和荷載情況，理解不同結構在不同受力狀態下的作用，包括受力的類型(壓力、拉力、彎曲、剪切等)以及力的作用點、方向等。判斷恒荷載、活荷載(如人流、車輛)、風荷載、地震荷載等，分析此類荷載對結構的影響，理解工程的使用環境和功能要求，比如建筑物的用途、使用年限等，不同的用途和功能要求，會影響結構的設計和材料的選擇。

3.2 完整性原則

土木工程建筑結構設計需要根據工程全過程的需要，保證設計方案的完整性，設計師應綜合考慮土木工程建筑結構設計方案各個環節的相關因素，包括結構強度、穩定性、抗震性、防火性、耐久性、施工可行性等，確保設計方案在全局上具備完整性。針對薄弱環節進行重視和采取重點加強措施，確保設計方案在這些關鍵環節上的合理性和完備性[2]。抗震設計中的薄弱環節包括結構的承載能力不足、連接節點設計不合理、抗震材料選用不當等問題，將導致地震中結構的部分或整體破壞，危及人員的安全，設計人員應遵循完整性的原則，要選用合理的材料和結構形式。

例如，選用具有良好抗震性能的混凝土、鋼材等材料，采用適當的結構形式，如框架結構、剪力墻結構等，以提高結構的抗震能力。強化設計連接，設計師應該對連接節點進行細致的分析和計算，確保其能夠承受地震產生的剪力和彎矩等，采用適當的節點形式、連接方式以及加強措施，提高連接節點的抗震性能。使用先進的結構設計計算軟件和方法，進行抗震性能的計算并進行評估和分析，通過模擬地震荷載作用下的結構分析，找出可能的薄弱環節，并采取相應的加固和改進措施。要求工程師在施工中對施工質量進行嚴格的監督和檢驗，確保設計方案的實施與設計要求一致。及時發現并解決施工中可能出現的問題，避免因施工不當導致的薄弱環節。

4 土木工程結構設計的優化策略

4.1 加強對地基結構方案的優化設計

地基結構方案的設計中，要求設計人員依據地勘報告結合本工程實際情況，采用合理的地基處理方案，減小地基基礎的沉降值，避免不均勻沉降的發生，維護建筑物的穩固形態。把握基礎設計這一關鍵的環節，根據框架結構的特點，同時依據規范及工程設計經驗，合理選擇淺基礎(如筏基、條基、獨立基礎等)或深基礎(如樁基、墩基礎等)，根據具體項目的要求和條件，保證基礎選型的合理性。根據建筑物的荷載和地質條件，合理確定基礎的尺寸和形狀，提高地基的承載能力和穩定性，確保建筑物的安全性。

在設計中考慮地基處理技術，如土體加固、地基改良等，采用合理的地基處理技術，提高地基的承載能力，保持建筑物具有良好的抗震性能。加強地基與上部建筑物的協同設計，在地基和建筑物的設計中，遵循協同性的原則，確保地基與建筑物的力學性能和形態的協調，例如，在地基設計中考慮建筑物的荷載傳遞方式，以及建筑物的結構布局對地基的影響等，減小地基沉降和變形，提高結構的整體剛度，在合理的方案下，降低工程造價和施工難度，提高工程的經濟性和綜合施工效率。

4.2 結構計算軟件設計要點

在概念設計的基礎上，利用計算機結構設計軟件對建筑結構主體進行分析和計算，以確定結構主體的強度、穩定性、剛度等性能。現代計算機技術已經發展到可以對復雜的結構進行三維模擬和分析，使設計師能夠更加準確地評估結構的性能。利用設計軟件模擬和分析技術，對建筑結構進行優化設計，以獲得更好的性能和效益。可以使結構的強度和穩定性更好，同時降低成本和材料浪費。

設計環節要重點加強構件節點設計，防止混凝土結構主體出現裂縫。混凝土結構的裂縫問題對結構的強度和耐久性有重要影響，在設計和施工過程中，要采取一系列的措施來防治裂縫，如合理設置伸縮縫、控制混凝土的收縮和溫度變形、采用合適的混凝土配合比等。在設計過程中，準確計算樓板的受力情況，并根據受力情況標注建筑結構的質量要求，包括樓板的最大撓度、最大裂縫寬度、混凝土強度等要求，在指導施工過程中，建立質量保證組織體系，層層落實人員職責，保證混凝土結構的強度達標[3]。

4.3 荷載設計要點

當進行土木工程建筑結構設計時，荷載分析和選擇是非常關鍵的一步，重點做好荷載的取值與分析。靜荷載是指建筑結構承受的常態下的載荷，包括自重荷載(建筑本身的重量)、使用荷載(人、家具、設備等的重量)、附加荷載(如設備運載荷、雪荷載等)，在分析過程中要根據國家相關標準和規范，確定各種靜荷載的計算值。動荷載是指建筑結構承受的運動或震動導致的載荷，例如，交通運輸設施上承受的車輛荷載、跑道上飛機起降產生的軌跡荷載等，動荷載的計算需要通過相關的工程經驗、測試數據或模擬計算等方法。溫度荷載的分析中，要針對由于溫差引起的構件熱脹冷縮所產生的內力和變形數據進行詳細的對比，建筑結構處于不同溫度環境下，受到溫度荷載的影響，需要通過溫度膨脹系數和相關溫度計算方法，獲取準確的分析結果[4]。

在荷載取值方面，設計師需要根據具體的建筑類型和設計要求，結合國家相關標準和規范進行選擇，不同的建筑類型和使用目的需要考慮不同的荷載，例如，住宅建筑的設計荷載通常是根據人口密度、使用功能等因素確定的，橋梁工程的設計荷載則需要考慮交通流量、車型等因素。考慮到過于保守的荷載選擇可能導致結構過度設計，浪費材料和成本，而設計過度則有可能導致結構危險，因此在具體的設計中，設計師需要綜合考慮各種因素，合理選擇荷載進行結構設計。

4.4 結構體系的選擇和設計

土木工程建筑結構設計中，選擇合適的結構體系，有必要從梁的設計著手，梁是橫跨在兩個支點之間的結構元素，主要承受縱向荷載，并將荷載傳遞到支座上。梁可以根據截面形狀分為矩形梁、T形梁、I形梁等，梁的選擇要考慮橫向穩定性、截面剛度以及橫向變形限制等因素。柱是豎直支撐結構的縱向元素，承受來自梁、板、墻等其他結構構件的縱向和橫向荷載，設計中要考慮其軸力承載能力、穩定性和變形控制等因素。框架由梁、柱和節點組成，該結構系統具有良好的剛度和穩定性。框架結構適用于大跨度建筑，能夠有效分擔荷載，并提供良好的空間布局，設計框架結構的過程中，設計人員要考慮節點的剛度、連接可靠性以及整體穩定性，從系統角度優化設計方案。

矩形板結構能夠傳遞和分散荷載到支座上，由扁平的板元素組成，適用于屋面、樓板等大面積結構，綜合考量板的厚度、截面形狀以及承載能力等因此對矩形板進行設計。殼體結構是一種具有曲面、薄壁結構的特殊形式，考慮曲面形狀、結構穩定性和變形控制，進行設計，要充分體現殼體結構良好的承載能力和空間美學效果，在穹頂、屋面等場所運用該結構。依據具體建筑的用途、形式和荷載特點設計結構系統，設計師需要綜合考慮結構的穩定性、剛度、變形和耐久性，選擇最適合的結構系統來滿足工程需求，并符合國家相關標準和規范。

4.5 土木工程建筑結構材料方案設計

在選擇和使用土木工程建筑結構材料時，要優化材料方案，保證各項材料的可靠性能，例如鋼筋混凝土是一種常用于建筑結構的材料，鋼筋提供了混凝土的拉力強度，使得混凝土具備了較高的抗彎和抗拉能力，混凝土提供了壓力強度。鋼筋混凝土材料的選擇和方案設計中，要考慮混凝土的強度等級、鋼筋的型號、布置方式以及混凝土的材料特性，例如耐久性和施工性。鋼結構具有高強度、高剛度和較小的自重，適用于大跨度、多層、高層建筑以及特殊結構，綜合鋼材的強度、剛度、可焊性、耐腐蝕性以及抗震性能等因素，進行系統化的分析，還需要考慮鋼結構的制作和連接方式，以及防火、防腐措施等，完善結構功能。

除了上述常見的材料外，還有其他材料在特定的工程中均有相應的用途，如玻璃、塑料、纖維增強復合材料等，設計材料方案時，要綜合考慮結構的強度、剛度、耐久性、施工性和經濟性等因素，遵循的國家標準和規范，考慮材料的可獲得性、工程實施難度和環境影響，確保設計方案的協調性和可行性[5]。

4.6 結構分析優化設計

使用結構力學理論和計算方法對建筑結構進行靜力分析和動力分析，以確定結構的內力分布和變形情況，是整個結構設計的關鍵環節。設計人員要加強靜力分析，靜力分析具體指的是在建筑結構受到靜態荷載作用時，通過應力平衡和變形平衡原理，計算結構的內力和變形情況。靜力分析中需要考慮結構的幾何形狀、材料特性、支座約束等因素，以及施加于結構上的靜荷載，如重力、風荷載等，采集和整合各項參數，以此作為依據，確定各個構件的受力狀態和內力分布，為結構的設計和優化提供依據。動力分析中，要在建筑結構受到動態荷載或地震激勵等作用時，考慮結構的質量、剛度和阻尼等因素，計算結構的振動響應。動力分析可以分為自由振動分析和響應譜分析等方法，自由振動分析用于研究結構的固有振動特性，響應譜分析則是通過將結構振動響應與地震激勵的響應譜進行對比，評估結構的抗震性能，注重動力分析，了解結構在不同荷載下的振動情況，進行結構的抗震設計和優化。

保證結構分析結果全面、具體，因為合理而準確的結構分析可以幫助設計師確定合適的斷面尺寸、配筋方式以及結構系統，以滿足結構的強度、剛度、穩定性和變形等要求。在結構分析中，要發現并解決潛在的結構問題，提高結構的安全性和可靠性，為結構設計的經濟性提供參考，避免過度設計，實現結構設計與工程成本的合理平衡。借助計算機軟件，通過數值計算和模擬方法，對結構進行力學分析，設計師需要根據具體建筑的要求和設計荷載，選用合適的分析方法和工具，以獲得準確而可靠的結構分析結果[6]。

4.7 施工工藝設計

施工工藝設計是將結構設計的結果與實際施工過程相結合，確定合理的施工方案和施工工藝，以保證結構的施工質量和安全性，針對具體的建筑結構，根據結構設計的要求和工程特點，確定合理的施工步驟和施工順序。施工方案中需要考慮施工的安全性、效率、質量控制以及與其他專業的協調等因素，保證施工工藝與材料供應、施工設備及人力資源等相互協調、配合。選擇施工工藝時，根據具體的建筑結構特點和施工條件，確定適合的施工方法和工藝流程，例如，在混凝土施工工藝設計中，對需要使用混凝土的構件，如梁、柱、板等，要確定合適的混凝土澆筑方法和工藝，選擇合適的攤鋪設備和模板系統，確定施工面層的養護方式，以及控制混凝土的坍落度和澆筑速度等，考慮混凝土澆筑的節奏和順序，以確保混凝土的質量和整體結構的穩定性[7]。

鋼結構施工工藝設計環節，針對鋼結構的安裝，需要選擇合適的起重設備和安裝方法，根據構件的尺寸和結構的要求，確定適合的起吊方式和支撐措施，考慮鋼構件的嚴密連接和焊接質量，以及對現場施工環境的要求，確保鋼結構的安全，提高安裝準確性。在混凝土結構中，模板的施工工藝也是至關重要的一部，應選擇適合的模板類型和材料，確定模板的安裝和拆除順序，在施工過程中控制模板的變形和偏移，做好支撐和調整，以確保混凝土結構的準確性，保持表面平整度。預應力施工工藝設計包括多個步驟，根據結構設計的要求，確定預應力鋼束的布置方案，確定鋼束的位置、張拉長度和數量等。根據預應力設計的要求，選擇合適的張拉設備，將預應力鋼束拉伸至設計要求的拉力，張拉過程中，需要控制張拉速度、張拉力和鋼束的錨固位置，確保張拉的準確性和一致性。完成鋼束的張拉后，進行錨固處理，將鋼束固定在預留的錨固點，使用錨固器件或預留的錨具，加強錨固處理，注意錨固點的位置和固定質量，對于需要進行后張拉的結構，可以在混凝土達到一定強度后進行，后張拉是指在混凝土硬化過程中再次對預應力鋼束進行張拉，例如，在民用建筑工程中，明確民用建筑構造，見圖1[8]。

圖1 民用建筑構造

5 結語

綜上所述，在現代化土木工程行業的發展中，針對土木工程建筑結構的設計，要求設計人員遵循著一定的基本原則，加強對結構穩定性的保障，考慮外部條件和土木工程建造的要求，引進先進的方法，合理的選擇材料，對結構設計方案進行有效的優化，以增強建筑結構設計的可行性和方案可靠性。以優化土木工程建筑結構的設計為目的，設計人員需要加強理論研究，展開不斷的實踐探索，與時俱進，引進新的理念和創新的結構設計方法，推動結構設計創新的順利實施，打造高質量、可靠的土木工程建筑產品。