建筑結構安全度設計的思考

張春明

（1、天津市長城建筑設計有限公司，天津300000 2、天津市長城房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，天津300000）

玉樹大地震災難，眾多本不應倒塌的建筑物紛紛坍塌；“5.17”株洲市紅旗高架橋特大坍塌事故，造成群死群傷的惡性后果；上海閔行區(qū)“蓮花河畔景苑”的在建13層住宅樓連根“臥倒”的事件，讓數(shù)百名房主無家可回；一場大雨讓成都市“校園春天”小區(qū)6號樓和7號樓斜靠在一起。……在這些災難發(fā)生之后，家園安全、建筑安全問題成了整個中國建筑結構設計時不可回避的大眾探討話題。在討論中，有些專家提出，要大幅度提高建筑結構設計的安全度，引起一些議論。作為一名結構工程設計師，現(xiàn)將我個人對此問題的一些看法提出來，請專家讀者給與指正。

1 現(xiàn)階段條件下，國家相關的結構設計安全度管理是基本有效的，對不適應發(fā)展要求的規(guī)范理論仍需要做適當調(diào)整。

1.1 關于可靠度設計理論

可靠度理論是分析結構安全性的一種有效手段。我國已頒布統(tǒng)一標準，要求結構設計相應規(guī)范按可靠度理論設計。當前建筑結構的設計可靠度標準執(zhí)行的是《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068-2001），該版本延續(xù)了《建筑結構設計統(tǒng)一標準》(GBJ68-84)版本的以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計理念，增加了建筑結構的設計工作狀況及結構的設計使用年限等重要內(nèi)容，同時修訂了承載能力極限狀態(tài)的設計表達式。

該可靠度標準用失效概率度量結構的可靠性，通過將抗力和作用效應相互獨立，將隨機過程化為隨機變量并以經(jīng)驗為校準點，成功地將這一理論用于建筑結構設計規(guī)范中，這是我國規(guī)范先進性的一種表現(xiàn)?？煽啃岳碚摷案怕蕵O限狀態(tài)設計方法將定性的“安全”概念盡可能量化，是結構設計理論的重大進步，并成為國際上的主導潮流。我國在這方面已處于先行地位，理應堅持和發(fā)展。

1.2 關于現(xiàn)階段的規(guī)范設置

我國現(xiàn)行的結構設計規(guī)范是基于概率分析的極限狀態(tài)設計方法制定的，規(guī)范的安全度設置水準盡管不高，但在全面遵守標準規(guī)范有關規(guī)定，即在正常設計、正常施工和正常使用的“三正?！睏l件下，據(jù)此建成的上百億平米的建筑物絕大多數(shù)至今仍在安全使用，這表明目前使用的這些規(guī)范規(guī)定的安全水準仍然適用。

但是理想的“三正?！焙茈y做到，同時為了縮小與先進國際標準的差距以及鑒于可持續(xù)發(fā)展和提高耐久性的需要，在物質(zhì)供應條件提高和社會大發(fā)展的市場經(jīng)濟條件下，結構的安全設置水準應適當提高。在橫向比較與國際發(fā)達國家的設計規(guī)范標準來看：其一在構件承載能力上，其安全設置水準關系最大的二個因素是：1）規(guī)范規(guī)定結構需要承受多大的荷載。2)規(guī)范規(guī)定的荷載分項系數(shù)與材料強度分項系數(shù)的大小。這兩種因素在中國的設計規(guī)范和國外發(fā)達國家設計規(guī)范比較來說，個別數(shù)值偏低，造成我國部分結構構件的安全度低。例如：我國規(guī)范規(guī)定活荷載與恒載的分項系數(shù)分別為1.4和1.2，而美國則分別為1.7和1.4，英國1.6和1.4。

其二在結構整體性設計方面。除了結構構件要有足夠承載能力外，結構物還要有整體牢固性。結構的整體牢固性是結構出現(xiàn)某處的局部破壞不至于導致大范圍連續(xù)破壞倒塌的能力，或者說是結構不應出現(xiàn)與其原因不相稱的破壞后果。結構的整體牢固性主要依靠結構能有良好的延性和必要的冗余度，用來對付地震、爆炸等災害荷載或因人為差錯導致的災難后果，可以減輕災害損失?，F(xiàn)行規(guī)范忽略了結構的整體性，是以構件的可靠度為目標的結構設計。而構件或截面的可靠，并不一定能保證結構體系的可靠；構件和截面的最優(yōu)，也不能保證結構體系的最優(yōu)。因此，在結構設計規(guī)范的改進上，應大力重視結構的整體性的目標設計，這樣在真正的大災大難面前，能夠做到整體不倒塌，保住人民生命和財產(chǎn)的安全。1978年唐山地震死亡24萬，而9年后，當同樣大小的7.8級地震襲擊智利一個百萬人口城市時，當?shù)貎H死亡150人，其最主要的原因就在于房屋設計的整體牢固性。因此說增強結構整體牢固性也是減輕臺風、洪水乃至恐怖襲擊等各種災害后果的迫切需要。

現(xiàn)行規(guī)范安全度與國際相比雖然偏低，但實踐已經(jīng)證明，現(xiàn)行規(guī)范安全度是可以接受的，這是重要的經(jīng)驗，不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢變化，國家經(jīng)濟實力增強和住宅制度改革現(xiàn)狀，可以將現(xiàn)行設計可靠度水平適當提高一點，這樣投入不大，卻對國家總體和長遠利益有利。在縱向比較我國這些年的規(guī)范調(diào)整的過程，我們不難看出，規(guī)范也是在不斷的提高結構設計的安全度。例如，我國新修訂的荷載規(guī)范，在不斷提高活荷載和恒荷載的數(shù)值。不斷推出新產(chǎn)品和新材料的技術規(guī)程，大力推薦新材料新產(chǎn)品在工程上的應用，如三級鋼等材料對于提高結構設計的安全度方面都有很大的作用。

然而，這種提高只能適度，因為我國目前尚屬發(fā)展中國家。一個國家的規(guī)范，不僅僅是技術性的，還有很強的政策性等許多方面，是一個國家經(jīng)濟條件的直接反映。因此，我國規(guī)范的材料用量，當然應該比發(fā)達國家低，也即安全度應該低一些。這方面我們完全可以理直氣壯地說，我們過去的設計標準，是符合我國國情的，是安全的。當然某些局部有不足，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。我們過去的結構成功地經(jīng)受了幾十年的考驗，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。

2 安全度設計方面必須重視結構的耐久性

土建結構工程的耐久性與工程的使用壽命相聯(lián)系，是使用期內(nèi)結構保持正常功能的能力。目前對建筑結構的耐久性問題還認識不足，往往是憑經(jīng)驗增加一些構造措施來加以彌補，缺乏在耐久性方面系統(tǒng)的理論研究和完善措施。但是，我國建設部于80年代一項調(diào)查表明，國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25-30年后即需大修，處于嚴酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15-20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對較好，一般可維持50年以上，但室外的陽臺、雨罩等露天構件的使用壽命通常僅有30年～40年。

上述問題出現(xiàn)的主要原因其一是我國在耐久性設計方面主要存在標準、規(guī)范、規(guī)程跟不上的問題，缺乏全面、完善、可靠的措施。規(guī)范對耐久性的要求，主要應在構造和材料性能等若干個易于明確表達的幾種指標上規(guī)定。其二工程施工單位盲目地加快施工進度，尤其是政府行政領導對工程進度的盲目干預行為大大損害了工程耐久性?；炷恋哪途眯再|(zhì)量尤其需要足夠的施工養(yǎng)護期加以保證，早產(chǎn)有損生命健康的概念同樣適用于混凝土。國內(nèi)媒體上加大宣傳的所謂幾個月就修成一條大路，建成一座大橋，或蓋成一棟高樓的工程及搶工獻禮工程，很可能就是今后注定要花掉更多資金進行大修的短命工程。其三使用條件下處于惡劣的環(huán)境中。例如社會環(huán)境的不斷惡化，如廢氣、酸雨，我國的酸雨面積已超過國土的30%。再例如北方地區(qū)冬季融冰雪的鹽對于結構的腐蝕作用。鹽凍也對混凝土路面造成傷害，東北地區(qū)一條高等級公路只經(jīng)過一個冬天就大面積剝蝕。京津地區(qū)的城市立交橋由于冬天灑除冰鹽及冰凍作用，使用十幾年后就出現(xiàn)問題，有的不得不限載、大修或拆除。

結構耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題，設計時要從構造、材料等角度采取措施加強結構耐久性，并要對施工單位提出具體施工要求。作為結構設計人員在設計中不能考慮強度多而考慮耐久性少，重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，重視新建筑的建造而不重視舊建筑的維護。作為設計人員不能只套規(guī)范，應該根據(jù)不同的設計對象，不同的環(huán)境和使用條件，發(fā)揮自己的才智和創(chuàng)造性；規(guī)范再詳細也不能包羅本來應由設計人員自己去解決的各種問題。

3 提高結構安全度的三個關鍵因素：正常設計、正常施工和正常使用

可靠度理論強調(diào)三個正常，即正常設計、正常施工和正常使用，這三個因素之間是相輔相成的，也是保證結構安全性的決定性因素。因此，作為一個優(yōu)秀的結構設計人員，我們首先要做好正常設計的工作。

建筑結構設計不僅應嚴格遵守國家有關規(guī)范，建筑設計標準的要求，而且諸如結構選型、傳力途徑、計算簡圖、配筋原則、構造措施等非計算因素同樣影響結構安全度，而且更具根本性。力學概念不清、工程經(jīng)驗缺乏、對計算機的過分依賴等，都可能引起建筑結構的安全性問題。因此，對設計人員進行再教育、再培訓和考核工作十分必要，設計單位應嚴格按照三級較審的審核制度執(zhí)行。我國規(guī)范并沒有明文規(guī)定設計人員不準采用高于規(guī)范設定的安全度水平，但在過去計劃經(jīng)濟時代的影響下，缺乏經(jīng)驗的設計人員有時還是不善于針對具體工程對象的需求和具體的施工環(huán)境條件，必要時加以靈活運用；而與此相反，某些故意鉆規(guī)范空子的人則會沿著規(guī)范允許的最低邊緣路線行事，以達到其不良目的并推卸責任。

關于工程事故與設計安全度的關系，國內(nèi)專家們一致認為：當前頻繁的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所致。在正常設計和正常施工條件下，建筑物的結構安全性還是能夠有很大的保證的。例如，50年代的結構設計方法，與現(xiàn)在近似，當時所用的混凝土強度很低，只有110~140號，比現(xiàn)在的C15還低。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……而當時施工發(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50年，而且經(jīng)過了唐山地震影響的考驗。

我國的每年工程施工量占到世界的50%，每年有超過20多萬平方米的在建項目，我國目前的建筑業(yè)隊伍有3500萬人，其中2000萬來自農(nóng)村，這么多項目并不能保證所有施工隊伍都具備合格的素質(zhì)，有的施工人員甚至連沙子與水泥的配比都不知道。因此結構設計人員在確定結構設計安全度時，確實不能不考慮施工隊伍平均受教育水平低的現(xiàn)狀。此外，野蠻施工也是影響建筑物安全性的重要因素。如上文提到的盲目加快施工進度的做法就是野蠻施工的一個具體表現(xiàn)；其他的表現(xiàn)還有“邊勘測、邊設計、邊施工”這種不科學的“三邊”建筑施工方式，有偷工減料的主觀利益行為，有政府部門監(jiān)管不到位的客觀問題等等。

其三，為了保證建筑結構安全度，一些工程在建成后應該不但做到合理正確的使用，還應該進行定期檢測和維護。首先，建筑結構不同于工廠里面生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，每個產(chǎn)品都配備有詳細的使用說明書。那么如何合理正確的使用建筑物，這就是目前建筑領域上的一個空白。例如現(xiàn)在的商品房交付使用后，用戶在裝修過程中，地面的負荷有多大？恐怕沒有一個業(yè)主能夠知道。這就給普通樓板的使用帶來隱患，即便是正常設計和正常施工的樓板，心血來潮的業(yè)主在普通樓板上增加一個浴盆，也足以使得樓板變形甚至出現(xiàn)危險。此外建筑結構的安全性，與使用階段的檢測、維護和修理不能分割，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎設施工程來說尤其如此。我國有結構工程的設計規(guī)范與施工規(guī)范，但沒有如何使用和維修檢測的規(guī)范。有些工程倒塌事故，例如最近四川宜賓的南門大橋發(fā)生橋面坍落事故，就是因為橋面結構與主拱之間的吊桿在連接處發(fā)生銹蝕，如果有定期的檢測要求，這樣的事故很有可能避免。同樣一些發(fā)達國家對于結構的損壞可能導致公眾安全的建筑物與橋、隧等公共工程，強制規(guī)定必須定期檢測；即使是建筑物的玻璃幕墻和外墻面磚等建筑部件，因其墜落后容易傷及公眾，也有強制定期檢測的要求。因此，在正常設計和正常施工條件下，要將結構安全質(zhì)量事故減少到最低程度，還應以預防為主，通過例行檢測及時發(fā)現(xiàn)問題，及時整改，確保建筑結構的安全性。

總之，建筑結構的安全度設計應該成為我們設計人員工作中最重要的關注問題，這不但關系到安全與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)、基礎設施的投資，而且與國家現(xiàn)行政策、法規(guī)以及未來的經(jīng)濟發(fā)展息息相關，是一個復雜的系統(tǒng)工程問題。就如上文所述，在國家有關可靠性設計標準的基礎上，并且結合建筑結構耐久性方面的研究，適當提高建筑結構設計的安全水準、科學的施工手段和使用條件，就能夠使建筑結構具有較好的可靠性和耐久性，更好的適應我國現(xiàn)代化建設的需求，適應經(jīng)濟市場的需求。

[1]略論中國建筑結構的可靠性及改進 汪常松《中國建設信息》2006年1期p35

[2]對混凝土結構設計安全度和規(guī)范修訂的幾點看法 陳肇元《建筑科學》1999年 第15卷第5期p23

[3]談建筑結構的可靠性研究 邱華生 《廣東建材》2007年第6期 p26

[4]我國結構可靠性設計及目標可靠指標的發(fā)展現(xiàn)狀 陳 艷 劉 寧 楊海霞 胡愛宇《水利水電科技進展》2004年第24卷第4期p61

[5]工程結構可靠度理論的研究現(xiàn)狀與展望劉玉彬《大連民族學院學報》2006年第5期(總第34期)p1

[6]關于建筑結構設計與安全度問題的思考龍鉅恒《中國新技術新產(chǎn)品精選》2006年第2期 p51