在建筑结构设计中如何提高建筑的安全性

引言

建筑作为人类生存与活动的重要空间载体，其安全性始终是设计与建设的首要目标。近年来，全球范围内自然灾害（如地震、台风）频发，以及城市化进程中建筑高度与复杂度的提升，对建筑结构的安全性提出了更高要求。结构设计作为建筑安全的源头把控环节，需综合考虑荷载取值、材料性能、结构体系合理性及施工可行性等多维度因素，通过科学的设计方法与技术创新，构建安全可靠的建筑结构体系。本文结合现行规范与工程实践，探讨建筑结构设计中提升安全性的关键技术路径。

1 建筑结构安全性的影响因素分析

建筑结构的安全性受多维度因素交织影响，涵盖自然环境的客观作用、人为干预的主观偏差以及材料技术的发展局限，需从系统性视角展开深度剖析。

1.1 自然环境因素：不确定性荷载与地质风险的双重挑战

自然环境是建筑结构的基础作用对象，其复杂性集中体现于荷载的动态变化与地质条件的差异性。风荷载、地震作用、雨雪荷载等自然荷载遵循概率分布规律，具有显著的时空变异性[1]。例如，台风区建筑需考虑百年一遇风速的极端作用，而地震荷载需结合场地抗震设防烈度（如《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 对地震动参数的规定）。设计中若荷载取值偏低或计算模型简化过度（如忽略脉动风的动力效应），将直接导致结构安全储备不足。地基作为结构的支承基础，其稳定性受土层分布、地下水位、地质构造等因素影响。不均匀沉降常因土层压缩性差异或荷载分布不均引发，如软土地基上的高层建筑易出现倾斜；地震作用下，液化土层可能丧失承载力，导致结构整体倾覆（如 1964 年日本新潟地震中砂土液化引发的建筑群倾倒事故）。岩土工程勘察的精度不足或基础设计方案不合理（如未针对性采用桩基础或地基处理措施），均会放大地质风险。

1.2 人为因素：设计缺陷与施工质量的系统性漏洞

人为因素是贯穿建筑全生命周期的主观可控变量，却因环节衔接不畅或管理疏漏成为安全隐患的主要诱因。结构体系选型不合理是根本性问题，如纯框架结构用于高烈度区时抗侧移能力不足，易发生层间位移超限；计算模型简化导致的误差（如忽略楼板对框架梁的刚度贡献）会使内力分析失真；构造措施缺失则表现为节点配筋不足、钢筋锚固长度不满足规范（如《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 对锚固长度的强制性要求），形成“强构件、弱节点”的脆性破坏隐患[2]。而材料环节的偷工减料（如钢筋强度等级不符、混凝土配合比违规调整）直接削弱构件承载力；施工工艺不规范（如模板支撑体系搭设错误、后浇带处理不当）导致结构受力性能改变；现场管理混乱引发的工序颠倒（如未完成养护即拆除支撑）或隐蔽工程验收缺失（如桩基完整性检测漏项），均会使设计安全目标无法落地。

1.3 材料与技术因素：性能退化与创新应用的适配性挑战

材料性能与技术应用的适配性是保障结构长期安全的关键，涉及材料耐久性与新技术成熟度双重维度。混凝土结构的碳化会导致钢筋保护层失效，引发锈蚀膨胀开裂；钢结构的防腐涂层破损后，钢材在潮湿环境中易发生应力腐蚀；砌体结构的砂浆强度退化会降低墙体整体性。耐久性设计不足（如未按环境类别提高混凝土保护层厚度或采用防腐涂料）将加速材料性能劣化，缩短结构设计使用年限。装配式建筑的节点连接（如套筒灌浆密实度不足）、超高层结构的风振控制（如阻尼器参数匹配偏差）、复合材料的力学性能离散性（如纤维增强塑料的长期蠕变效应），均因技术标准滞后或工程经验不足形成设计盲区[3]。例如，早期装配式剪力墙接缝处易因抗剪键布置不合理导致地震中开裂，暴露新技术应用中的构造设计缺陷。

2 建筑结构设计中提高安全性的关键策略

建筑结构安全性的提升是一项系统性工程，需从设计理论、材料性能、抗震技术、施工管控及智能化应用等多维度构建全周期保障体系。

2.1 结构设计基本原则的优化

设计者应以安全性为核心统筹适用性与耐久性，通过体系合理性设计筑牢安全骨架。针对医院、学校等人员密集建筑，设计者需将结构安全等级提升至一级（重要性系数 γ₀⩾1.1 ），将活荷载分项系数取 1.5（常规 1.4），预留极端荷载下的抗倒塌安全储备[4]。依据《混凝土结构设计规范》环境类别，设计者对海洋环境（II 类）构件应采用 C35 混凝土（常规 C30）、将保护层厚度从 20mm 增至 30mm ，并通过裂缝宽度验算（控制 ⩽0.2mm ）延缓钢筋锈蚀，延长结构使用寿命。同时需采用"强柱弱梁 + 多抗侧力体系"，如在框架-剪力墙结构中，使剪力墙作为首道防线承担 80% 以上水平力（允许合理损伤），框架作为二道防线维持整体稳定，避免单构件失效引发连续倒塌。设计者还需严格控制平面规则性（L 型平面长宽比 ⩽6:1 ）与竖向刚度突变（层间刚度变化 ⩽30% ），通过 SATWE 软件验算扭转位移比（限值 ⩽1.5 ）。如某超限高层因竖向收进导致层间位移角超限（1/450），设计者通过增设腰桁架加强层，将层间位移角优化至 1/550，满足规范要求。

2.2 材料与构件的安全性强化

工程师可通过高性能材料应用与关键构件加强，夯实结构安全的物质基础。例如，工程师应推广 HRB500E 抗震钢筋（屈服强度 500MPa ，强屈比 ⩾1.25 ），相比 HRB400 减少配筋率并提高延性；采用自密实混凝土（坍落扩展度 ⩾600mm ）用于型钢混凝土节点，避免振捣盲区导致的空洞缺陷。进场材料时，工程师需执行"三检制"，对钢筋复验屈服强度、抗拉强度等力学性能，对混凝土试块实行标养（28 天）与同条件养护（ 600^∘C ・天）双控。在基础设计中，工程师对软土地基应采用桩筏基础（桩长嵌入硬土层 ⩾3m ），对液化场地通过振冲碎石桩（间距 1.5m 梅花形布置）消除液化；根据差异沉降计算筏板厚度（沉降差 ⩽0.002L ），确保基础刚度与上部结构协调。对于框架节点，工程师需将箍筋加密区长度取 2 倍梁高、直径 ⩾10mm （16G101-1 构造要求）；在装配式套筒连接节点中，确保钢筋插入深度 ⩾ 8d 并通过拉拔试验验证强度，避免"强构件、弱节点"的脆性破坏模式。

4 结论

建筑结构安全性是贯穿设计、施工、运维全周期的系统性工程。本文从设计原则优化、材料构件强化、抗震技术创新、施工质量管控及智能化应用等维度，构建了多策略协同的安全保障体系。通过预留安全储备、构建多道防线、应用高性能材料、深化延性设计及引入 BIM 与健康监测技术，可有效应对自然荷载不确定性、材料性能退化及施工偏差等风险。未来，随着绿色建材、智能传感与韧性设计理论的深度融合，建筑结构安全性将向“全生命周期可预测、可控制、可修复”的方向持续发展，为城市安全与可持续建设提供更坚实的技术支撑。

参考文献：

[1]王凤东.关于建筑结构设计中提高建筑安全性的几点思考[J].城市建设理论研究(电子版),2024,(11):91-93.

[2]刘柱.建筑幕墙结构设计及优化措施分析[J].居舍,2023,(30):98-101

[3]张罡睿.土木工程建筑结构设计中的问题与对策分析[J].居舍,2023,(29):91-94+97.

[4]耿飘飘.谈如何在建筑结构设计中提高建筑的安全性[J].中华建设,2023,(10):99-101.