提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度問題的探討

劉欣

（江西省贛州市建筑設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000）

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度的概念

從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本目的,就是在一定的經(jīng)濟(jì)條件下,賦予結(jié)構(gòu)以適當(dāng)?shù)陌踩?使結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期限內(nèi),能滿足所預(yù)期的各種功能要求,一般來說,建筑結(jié)構(gòu)必須滿足的功能要求是:

1.1 能承受在正常施工和使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用,且在偶發(fā)事件中,仍能保持必須的整體穩(wěn)定性,即建筑結(jié)構(gòu)需具有的安全性。

1.2 在正常時(shí)具有良好的工作性能,即建筑結(jié)構(gòu)需具有的適用性。

1.3 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性。

上述安全性、適用性和耐久性是建筑結(jié)構(gòu)可靠(或安全)與否的標(biāo)志,總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性,對這些性能的度量,即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率,稱為結(jié)構(gòu)的可靠度(或稱安全度)。

2 可靠度設(shè)計(jì)理論是分析結(jié)構(gòu)安全性的一種有效手段。

我國已頒布統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范按可靠度理論設(shè)計(jì)。20世紀(jì)70年代的我國混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范分別采用不同的設(shè)計(jì)方法體系,在安全度的表達(dá)形式上互不相同,給設(shè)計(jì)或教學(xué)都造成不便,20世紀(jì)80年代用可靠度理論率先加以統(tǒng)一。但是,對規(guī)范采用可靠度理論,以及這一理論能否將各種結(jié)構(gòu)的安全度都統(tǒng)一在同一體系中,專家們持不同意見：

2.1 認(rèn)為我國規(guī)范采用了先進(jìn)的可靠度理論,用失效概率度量結(jié)構(gòu)的可靠性,通過將抗力和作用效應(yīng)相互獨(dú)立。將隨機(jī)過程化為隨機(jī)變量并以經(jīng)驗(yàn)為校準(zhǔn)點(diǎn),成功地將這一理論用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中,這是我國規(guī)范先進(jìn)性的一種表現(xiàn)。工程設(shè)計(jì)采用可靠度理論為國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)所提倡,是國際上大勢所趨;多次國際安全度會議也傾向于采納ISO提出的在設(shè)計(jì)規(guī)范中采用可靠度理論的原則?？煽慷壤碚撘粯又匾暯?jīng)驗(yàn),可靠度取值用校準(zhǔn)法確定。

2.2 認(rèn)為可靠度理論是分析和度量結(jié)構(gòu)安全性的一種先進(jìn)手段,但在應(yīng)用上還有其局限性,理論本身也有一些方面未能突破,比如結(jié)構(gòu)可靠度分析的三個(gè)約束條件:將抗力與作用效應(yīng)分離,將隨機(jī)過程變?yōu)殡S機(jī)變量,以及將截面承載力的安全指標(biāo)β作為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo),隨著認(rèn)識的發(fā)展都值得質(zhì)疑。用概率可靠度理論需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),但不論荷載統(tǒng)計(jì)或抗力統(tǒng)計(jì)都還存在一些問題,規(guī)范安全度還需考慮將來可能出現(xiàn)的荷載變化。概率可靠度理論會有意或無意地簡化、忽略本應(yīng)考慮但又無法用這一理論處理的因素,如一定程度的人為失誤以及社會、經(jīng)濟(jì)因素等?？煽慷壤碚搹?qiáng)調(diào)三個(gè)正常,即正常設(shè)計(jì)。正常施工和正常使用,但正常和不正常有時(shí)不易界定。匆忙地將可靠度理論推廣于各種規(guī)范,會帶來一些不必要麻煩,比如地基基礎(chǔ)規(guī)范中,地基承載力強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值竟比標(biāo)準(zhǔn)值還高,抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中不得不引入調(diào)整系數(shù)。又如地下結(jié)構(gòu)的荷載與其作用效應(yīng)高度耦合,其不確定性遠(yuǎn)大于荷載本身的不確定性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的不確定性。以及材料強(qiáng)度不確定性的總和,而前者又難以估計(jì),這時(shí)勉強(qiáng)采用可靠度設(shè)計(jì)往往徒有形式而無實(shí)效。有的專家指出,水工結(jié)構(gòu)的大壩設(shè)計(jì)目前只有蘇聯(lián)用可靠度理論,其它國家都用安全系數(shù)k大壩在不同工作條件下的溫度。滲透壓力很難用統(tǒng)計(jì)確定,影響壩基穩(wěn)定的地基軟弱夾層及其分布也很難憑少數(shù)鉆孔取樣確定其統(tǒng)計(jì)特性,所以用可靠度理論估計(jì)不了壩體的安全度。將可靠度理論用于鐵路工程結(jié)構(gòu)規(guī)范要確定火車的荷載譜,現(xiàn)在花了很大力氣已取得上萬條荷載譜,統(tǒng)計(jì)出了50年最大可能荷載,可是今后鐵路上的火車荷載及其變化,更多地由鐵路部門指令所確定,與那些統(tǒng)計(jì)多不相關(guān)。

2.3 認(rèn)為分項(xiàng)多安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法要比可靠度方法更為靈活實(shí)用。在確定安全系數(shù)時(shí),同樣可以利用可靠度理論一起作分析,最后選定合適的系數(shù)值。鑒于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)采用了可靠度理論,不足之處可繼續(xù)改進(jìn),而其設(shè)計(jì)公式的表達(dá)形式又與分項(xiàng)多安全系數(shù)基本相似,所以也不必再回到老路上去。現(xiàn)行可靠度設(shè)計(jì)規(guī)范中的分項(xiàng)系數(shù),其含義可以模糊些,考慮更多的經(jīng)驗(yàn)因素,這在可靠度理論中也是說得過去的。規(guī)范采用可靠度理論應(yīng)采取實(shí)事求是的態(tài)度,能用的盡量用,尚不成熟的將來再用,不宜用行政手段一刀切去追求“統(tǒng)一”。

3 提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度的建議

3.1 當(dāng)前的建筑物安全事故,與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度無關(guān)。20世紀(jì)50年代的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,與現(xiàn)在近似,當(dāng)時(shí)所用的混凝土強(qiáng)度很低,只有110～140號,比現(xiàn)在的C15還低。20世紀(jì)50年代初期施工手段也很落后,混凝土用體積配合比,人工攪拌,沒有振搗器……而當(dāng)時(shí)施工發(fā)生安全事故的較少。有一些建筑物,如王府井百貨大樓、北京飯店等,使用至今已逾45年,而且經(jīng)過了唐山地震影響的考驗(yàn)。因此可以說,現(xiàn)在的安全事故,與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度是沒有連帶關(guān)系的。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),仍宜提倡節(jié)約。關(guān)于節(jié)約鋼材的問題。作為一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師,重要職責(zé)之一,就是以較少的材料去完成建筑物各種功能的要求。如果將構(gòu)件截面任意加大,材料用量任意增多,這個(gè)工作,建筑師也能做。

在發(fā)達(dá)國家,節(jié)約材料也是工程師所追求的。1998年美國《商業(yè)周刊》登載由美國建筑師學(xué)會(AIA)舉辦的最佳建筑設(shè)計(jì)競賽,“節(jié)省材料”是該次競賽的主題之一。紐約時(shí)報(bào)新印刷廠的設(shè)計(jì),因采用規(guī)則的矩形平面和常規(guī)材料,節(jié)約五千萬美元而獲獎(jiǎng):又如香港中國銀行(貝聿銘設(shè)計(jì))因其結(jié)構(gòu)方案布置得當(dāng),比同樣高度的其他結(jié)構(gòu)大量節(jié)約鋼材,所以若干個(gè)雜志上都發(fā)表文章加以表揚(yáng)。

3.3 我國規(guī)范中的構(gòu)造規(guī)定,并非都比別國低。我國規(guī)范規(guī)定的是最低用鋼量,設(shè)計(jì)者一般根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性,予以適當(dāng)提高,所以下能以此來判定我們在工程中的材料用量,更不能以我們的最低值來與人家比。我國規(guī)范規(guī)定的柱子最小含鋼量力0.4%,是不考慮抗地震時(shí)的數(shù)量,我們大多數(shù)城市設(shè)計(jì)時(shí)都考慮抗震,高層建筑更是都要考慮,這時(shí)柱子的最小含鋼量就是0.5%～1.0%。而且設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)高層建筑的柱子時(shí),用鋼量常比規(guī)范要求的還大,因此與國外相比,實(shí)際用鋼量并不太小。

我們有些構(gòu)造要求,已與國外持平,如剪力墻的最小配筋率為0.25%,與美國相同。至于墻的暗柱配筋量,在許多方面已是世界領(lǐng)先。

3.4 規(guī)范要根據(jù)國家政策而定。一個(gè)國家的規(guī)范,不僅僅是技術(shù)性的,還有很強(qiáng)的政策性等許多方面,是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)條件的直接反映。因此,我國規(guī)范的材料用量,當(dāng)然應(yīng)該比發(fā)達(dá)國家低,也即安全度應(yīng)該低一些。這方面我們完全可以理直氣壯地說,我們過去的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),是符合我國國情的,是安全的。當(dāng)然某些局部有不足,要不斷修改。國外的規(guī)范也不是十全十美,也在不斷的修改。我們過去的結(jié)構(gòu)成功地經(jīng)受了幾十年的考驗(yàn),那就是說,我們的規(guī)范基本是正確的,安全度基本是能滿足要求的。

3.5 轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思想,全面提高安全度水平

3.5.1 建筑結(jié)構(gòu)作為特殊商品,確定其設(shè)計(jì)安全度的高低不再是純政府行為,目前至少會有房屋開發(fā)商、保險(xiǎn)業(yè)和用戶參與。開發(fā)商應(yīng)該對其出售建筑物的安全質(zhì)量負(fù)責(zé),在影響售價(jià)不多的情況下應(yīng)盡可能提高安全度,更高的安全性能應(yīng)作為房屋開發(fā)商促銷和競爭的一個(gè)熱點(diǎn)。

3.5.2 我國現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的低安全度原則已不能適用當(dāng)前的國情,提高我國建筑結(jié)構(gòu)的安全度水平將有利于生產(chǎn)、生活水準(zhǔn)的改善,有利于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,也符合建筑物業(yè)主的利益和要求。

3.5.3 從提高結(jié)構(gòu)安全度出發(fā),為了改善結(jié)構(gòu)物的安全性,要提倡合理地多用鋼材,而不再是挖空心思地節(jié)約鋼材。

[1]陳肇元.要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度[J].建筑結(jié)構(gòu),1999(1).

[2]黃興棣.工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,1989.