土木工程结构设计安全性与经济性管控

引言：

我在多年的房屋结构设计实践中发现，安全与经济分析通常是互相分离的，如何在可配置资源有限的情况下呈现可计算、可证实的设计结果，是设计师需要解决的问题，由于各施工现场日益复杂的地基条件、材料价格的变化和监督管理标准逐步提高，单一指标优化已经不能保证结构的整个服役周期稳定运营，在安全可靠性分析与成本控制理论交叉融合下，如何寻求一条基于工程数据和经验结合的科学管控路径，是本文尝试给出的新视角。

1 土木工程结构设计安全性与经济性的基本认知

安全可靠性和经济性是土木工程结构设计的两项核心重要指标，除了是工程技术层面的可靠和安全保证之外，更是对项目设计中所背负的社会责任及经济效益承担的一种考量。同时项目规模和难度的日益增大，如何能够在有限时间内使二者更好地在资金和精力上协调兼顾，也是设计过程中所要解决的问题之一[1]。

2 影响结构设计安全成本控制的挑战

2.1 安全保障措施中的技术难题

技术问题贯穿于全过程并贯穿于每个技术环节，为了确保技术的可行性和满足结构安全要求，从地基基础到主体结构的承载力设计分析，在每一个选择上都存在工程技术和设计理论问题，新材料、新方法的提出与采纳，都需要设计人持续跟踪和掌握新的技术进步与应用成果，而技术的变化又决定着安全的提升程度和挑战，进而要求工程师在创新与安全间寻找平衡[2]。当然，当所面临的自然环境极其恶劣、设计要求较特别的情况下，则更为凸显技术问题的重要性。

2.2 成本控制过程中面临的现实困境

土木工程控制过程中的经济性常常是受到现实情况所限制，施工材料市场价格的变动、设计方案难度的增加以及时间因素导致了成本预算的无从预知，在一定范围的有限预算下保证结构的安全性，并控制成本，就要求设计人员在各方需要中不断权衡和考量，做出抉择[3]。现实过程中，很多项目在盲目降低成本后承担了日后出现的额外隐患，而片面强调结构安全性可能导致项目造价超出预算。因此，合理控制成本，做到土木工程项目质量安全与成本的统一成为了设计不能回避的问题。

3 土木工程结构设计安全性与经济性管控

3.1 设计阶段多目标控制的权衡机制

首先是前期结构设计中面临的目标、边界条件较多，如何在这些目标、边界条件间建立长期有效的协调关系，这既不是一个方案选优问题，也不是单纯的手段，而是对设计工作系统思考和约束意识的问题；结构安全性和结构经济性常常处于对立的地位，前者强调冗余、保守设计，后者意味着尽可能小的建造成本、尽可能少的资源配置。解决问题的关键是将设计阶段的决策逻辑上升到系统层面的优化。有效的方法是，制定适当的分层次控制原则，明确不能压缩的最低安全性能设计的容忍度，然后在可接受的安全边界范围内寻求结构经济空间的容纳量，而不是反过来以结构的经济价值承受成本空间、压缩结构安全性。引入结构生命周期视角，不仅仅考虑施工建造第一阶段的投入产出情况，更重要的是进一步考虑结构在服务阶段、服役期维护条件下的折损损失风险，引入基于全系统价值的成本设计理念。引入设计阶段方案阶段性容错对策，例如在方案阶段把握一定的容错空间，为后期风险暴露留有余地[4]。在权衡过程中，重要的是给出均衡体系，而不是最优解。这样做的原则是，给出适当的概念和界分，有效区分结构设计从概念到下一阶段，其背后的原始逻辑没有丢失，确保结构体系设计在前期工程推进过程中的稳定性，以及可控成本。

3.2 结构构件选择对管控策略的影响

部件选型本身不仅是一种技术参数比对和探讨的过程，更是受控的风险和价值管控策略中最为重要的一个环节。部件类型选择、材质搭配、节点连接结构等因素都将直接作用于整个项目工程受力状况、施工便利度和后期维护便利度。有效的管控策略首先需要站在部件功能价值上综合分析其在不同设计应用场景中的匹配能力和变动成本高低；例如高强度钢结构，尽管其材质具备较强承载能力，但由于焊接作业难度、钢构自身抗腐蚀能力以及造价要素变动等因素，都可能对其经济性产生副作用，甚至与传统的预应力混凝土构件相比，后期维护成本更低。在管控层面不能简单使用一些建筑部件好不好来说明问题，而是需要构建出以项目特征为依据的部件选择矩阵，根据不同的施工环境、施工荷载以及使用期限等进行综合赋值[5]。其次对于部件的接口和节点连接结构把控，是项目的重要风险区域，也是项目实施成本不可控的一个重要节点。预制化、标准化的部件体系建设能极大减少现场施工误差和返工概率，是同时保证施工质量和造价可控的一个重要因素。在选型策略中应当充分接纳施工单位和运维人员的反馈意见，构建出一个建筑部件的选择闭环，规避设计端和实施端分离所产生的系统风险。部件选型不是脱离管控策略单独去做的行为，部件选择应该与施工工序、材料资源供应以及现场施工技术力量融合在一起，必须具有可实施性和可持续性的逻辑特性。

3.3 建造过程中的风险成本协同控制

施工过程中各种波动比设计阶段大，其中各种不确定性因素将很容易向安全性和经济性的双重目标中传递，致使各目标控制失效。因此施工过程要建立健全的协同控制原则，确保前期设计目标的延续性。主要的原则之一就是将风险识别向施工前期转移，不仅要从施工的图纸上入手，还要对施工现场的地质数据、机械配备能力、劳动力等实际情况进行分析，构建施工适应性数据平台，并对可能发生的负面问题构建预警模型；另一方面就是工序分解控制，主要在关键工序处设置成本指标和风险指标，在一些高敏感工序处提前确定可控制的边缘条件，当偏离超过规定时实施干预，使得一些微问题不被放大为系统性隐患问题；成本层面也要避免一味简单压低成本、减低成本的代价，在降低成本时应寻求效率的提升[6]，譬如引入施工阶段的协同排产平台，以实现施工阶段资源利用率的最高化及工程工期的最优化，实现间接成本节约的目的。

结束语：

安全和效益不是矛盾而是对立统一的关系，关键是靠事先的系统决策和事中的过程控制，本篇文章所提出的 3 个控制渠道提示的是提前的设计多目标权衡控制、构件的前期定量结构选择和实施过程的风险性成本共担，这将是提升结构全寿命周期价值的重要突破口。希望能有更多的实践工程项目在开放数据的基础上印证本框架的推导，这样就会在土木工程领域不仅使公共安全得以保障和实现，而且在此过程中带来社会经济的稳定和长线的发展，这不仅有助于增强工程管理的理性认识，同时也有助于人们在未来的设计理念创新和设计技术精细化方向上的思考和推导，最终实现本行业的规范化、透明化、高效率。

参考文献：

[1]杨国华.土木工程结构设计中实现安全性与经济性的措施探析[J].大众标准化，2024（005）：000.

[2] 付慧霞. 土木工程结构设计实现安全性与经济性的措施[J].2024（22）：28-30.

[3]王锡鹏.土木工程结构设计中的安全性与经济性分析[J].中国航班，2023：80-83.