建筑結(jié)構(gòu)安全度設(shè)計的思考

張春明

（1、天津市長城建筑設(shè)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(zāi)難，眾多本不應(yīng)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(zāi)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度，引起一些議論。作為一名結(jié)構(gòu)工程設(shè)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(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度管理是基本有效的，對不適應(yīng)發(fā)展要求的規(guī)范理論仍需要做適當(dāng)調(diào)整。

1.1 關(guān)于可靠度設(shè)計理論

可靠度理論是分析結(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)計相應(yīng)規(guī)范按可靠度理論設(shè)計。當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的是《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001），該版本延續(xù)了《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ68-84)版本的以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計理念，增加了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作狀況及結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計表達式。

該可靠度標(biāo)準(zhǔn)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)相互獨立，將隨機過程化為隨機變量并以經(jīng)驗為校準(zhǔn)點，成功地將這一理論用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，這是我國規(guī)范先進性的一種表現(xiàn)。可靠性理論及概率極限狀態(tài)設(shè)計方法將定性的“安全”概念盡可能量化，是結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的重大進步，并成為國際上的主導(dǎo)潮流。我國在這方面已處于先行地位，理應(yīng)堅持和發(fā)展。

1.2 關(guān)于現(xiàn)階段的規(guī)范設(shè)置

我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是基于概率分析的極限狀態(tài)設(shè)計方法制定的，規(guī)范的安全度設(shè)置水準(zhǔn)盡管不高，但在全面遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有關(guān)規(guī)定，即在正常設(shè)計、正常施工和正常使用的“三正常”條件下，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(zhǔn)仍然適用。

但是理想的“三正常”很難做到，同時為了縮小與先進國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)條件提高和社會大發(fā)展的市場經(jīng)濟條件下，結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)提高。在橫向比較與國際發(fā)達國家的設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來看：其一在構(gòu)件承載能力上，其安全設(shè)置水準(zhǔn)關(guān)系最大的二個因素是：1）規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范和國外發(fā)達國家設(shè)計規(guī)范比較來說，個別數(shù)值偏低，造成我國部分結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體性設(shè)計方面。除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠承載能力外，結(jié)構(gòu)物還要有整體牢固性。結(jié)構(gòu)的整體牢固性是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)某處的局部破壞不至于導(dǎo)致大范圍連續(xù)破壞倒塌的能力，或者說是結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)與其原因不相稱的破壞后果。結(jié)構(gòu)的整體牢固性主要依靠結(jié)構(gòu)能有良好的延性和必要的冗余度，用來對付地震、爆炸等災(zāi)害荷載或因人為差錯導(dǎo)致的災(zāi)難后果，可以減輕災(zāi)害損失。現(xiàn)行規(guī)范忽略了結(jié)構(gòu)的整體性，是以構(gòu)件的可靠度為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。而構(gòu)件或截面的可靠，并不一定能保證結(jié)構(gòu)體系的可靠；構(gòu)件和截面的最優(yōu)，也不能保證結(jié)構(gòu)體系的最優(yōu)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的改進上，應(yīng)大力重視結(jié)構(gòu)的整體性的目標(biāo)設(shè)計，這樣在真正的大災(zāi)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(dāng)同樣大小的7.8級地震襲擊智利一個百萬人口城市時，當(dāng)?shù)貎H死亡150人，其最主要的原因就在于房屋設(shè)計的整體牢固性。因此說增強結(jié)構(gòu)整體牢固性也是減輕臺風(fēng)、洪水乃至恐怖襲擊等各種災(zāi)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(shè)計可靠度水平適當(dāng)提高一點，這樣投入不大，卻對國家總體和長遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)規(guī)程，大力推薦新材料新產(chǎn)品在工程上的應(yīng)用，如三級鋼等材料對于提高結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(dāng)然應(yīng)該比發(fā)達國家低，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，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(shè)計方面必須重視結(jié)構(gòu)的耐久性

土建結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)保持正常功能的能力。目前對建筑結(jié)構(gòu)的耐久性問題還認(rèn)識不足，往往是憑經(jīng)驗增加一些構(gòu)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(shè)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(yán)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(gòu)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(shè)計方面主要存在標(biāo)準(zhǔn)、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(yīng)在構(gòu)造和材料性能等若干個易于明確表達的幾種指標(biāo)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(lǐng)導(dǎo)對工程進度的盲目干預(yù)行為大大損害了工程耐久性。混凝土的耐久性質(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題，設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強結(jié)構(gòu)耐久性，并要對施工單位提出具體施工要求。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)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(shè)計人員不能只套規(guī)范，應(yīng)該根據(jù)不同的設(shè)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(xì)也不能包羅本來應(yīng)由設(shè)計人員自己去解決的各種問題。

3 提高結(jié)構(gòu)安全度的三個關(guān)鍵因素：正常設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)安全性的決定性因素。因此，作為一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，我們首先要做好正常設(shè)計的工作。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅應(yīng)嚴(yán)格遵守國家有關(guān)規(guī)范，建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且諸如結(jié)構(gòu)選型、傳力途徑、計算簡圖、配筋原則、構(gòu)造措施等非計算因素同樣影響結(jié)構(gòu)安全度，而且更具根本性。力學(xué)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(jié)構(gòu)的安全性問題。因此，對設(shè)計人員進行再教育、再培訓(xùn)和考核工作十分必要，設(shè)計單位應(yīng)嚴(yán)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(shè)計人員不準(zhǔn)采用高于規(guī)范設(shè)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(shè)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(zé)任。

關(guān)于工程事故與設(shè)計安全度的關(guān)系，國內(nèi)專家們一致認(rèn)為：當(dāng)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(shè)計和正常施工條件下，建筑物的結(jié)構(gòu)安全性還是能夠有很大的保證的。例如，50年代的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，與現(xiàn)在近似，當(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員在確定結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計、邊施工”這種不科學(xué)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(jié)構(gòu)安全度，一些工程在建成后應(yīng)該不但做到合理正確的使用，還應(yīng)該進行定期檢測和維護。首先，建筑結(jié)構(gòu)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(xì)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(lǐng)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(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(chǔ)設(shè)施工程來說尤其如此。我國有結(jié)構(gòu)工程的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的損壞可能導(dǎo)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(shè)計和正常施工條件下，要將結(jié)構(gòu)安全質(zhì)量事故減少到最低程度，還應(yīng)以預(yù)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(jié)構(gòu)的安全性。

總之，建筑結(jié)構(gòu)的安全度設(shè)計應(yīng)該成為我們設(shè)計人員工作中最重要的關(guān)注問題，這不但關(guān)系到安全與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)、基礎(chǔ)設(shè)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(guān)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。就如上文所述，在國家有關(guān)可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，并且結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，適當(dāng)提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全水準(zhǔn)、科學(xué)的施工手段和使用條件，就能夠使建筑結(jié)構(gòu)具有較好的可靠性和耐久性，更好的適應(yīng)我國現(xiàn)代化建設(shè)的需求，適應(yīng)經(jīng)濟市場的需求。

[1]略論中國建筑結(jié)構(gòu)的可靠性及改進 汪常松《中國建設(shè)信息》2006年1期p35

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

[3]談建筑結(jié)構(gòu)的可靠性研究 邱華生 《廣東建材》2007年第6期 p26

[4]我國結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計及目標(biāo)可靠指標(biāo)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(jié)構(gòu)可靠度理論的研究現(xiàn)狀與展望劉玉彬《大連民族學(xué)院學(xué)報》2006年第5期(總第34期)p1

[6]關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與安全度問題的思考龍鉅恒《中國新技術(shù)新產(chǎn)品精選》2006年第2期 p51