日本鐵路土木工程設計標準國際化動態

徐光黎, 倪光斌,趙新益,曾長賢

(1.中國地質大學工程學院,武漢 430074； 2.鐵道部經濟規劃研究院鐵路工程技術標準所,北京 100038；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

隨著WTO和ISO的推進,特別是,ISO2394《結構可靠性總原則》[1]這一引領性國際標準的頒布,使極限狀態設計法成為世界主流[2-4]。為適應世界這一發展趨勢,我國建筑、港口、水利水電和公路部門的結構設計規范先后也采用了極限狀態設計法。2011年,鐵道部為推進鐵路工程極限狀態設計法工作,作出了全面、系統的部署。

日本在極限狀態設計方面,設立了很多的研究委員會,到世界各國進行學習、考察,進行了大量的系統的研究,取得了豐碩的研究成果[5]。例如,2001年,日本成為ISO巖土工程極限狀態設計國際技術委員會ITC23的東道國,致力于性能設計規范的開發。2002年,出版了日文和英文2個版本的《土木·建筑設計基本規定》[6]；2003年3月,頒布了《制定基于性能設計概念的結構設計規范的原則、指針和術語》(簡稱code PLATFORM ver.1)[7-8]；2009年頒布了《制定基于性能設計概念的基礎結構設計原則》(JGS4001—200*)[9]。例如,文獻[9]對構造物設計的基本規定、巖土工程勘察及土工參數、淺基礎設計、樁基礎設計、柱狀基礎設計、支擋結構、施工、路基設計等設計原則作出了基本規定。這些先導性的標準,為后續的行業規范制定奠定了良好的基礎。

鄰國在公路、鐵路、港口、機場、水利等行業規范的修訂中,都納入了基于極限狀態概念的性能設計法理念,提出了對安全性、使用性和修復性極限狀態的性能要求,校核方法[10]。修訂的行業規范、指針和手冊等,目前都已經基本完成。《鐵道構造物等設計標準·同解說》一攬子規范已于2012年7月全部修訂完畢[11-16],實現了性能設計的轉軌工作。同時,日本為應對鐵路標準國際化,于2010年專門成立了“鐵路國際標準中心”[17],在標準國際化方面取得了令人矚目的成就。日本官產學研齊心協力,前瞻性、周密、系統的行動和經驗,值得我們借鑒。

1 鐵路工程國際化標準

1.1 國際標準化組織

制定國際標準的機構有: (1)IEC(International Electrotechnical Commission,國際電工委員會)，于1906年成立,至今已有100多年的歷史,是世界上成立最早的國際性電工標準化機構,負責有關電氣工程和電子工程領域中的國際化標準的制定；(2)ISO(International Organization for Standardization,國際標準化組織)，成立于1947年,承擔所有領域的國際標準的制定,由ISO的技術委員會完成國際標準；(3)ITU(International Telecommunication Union,國際電信同盟)，由1865年萬國電信同盟發起,1993年成為聯合國的一個專門機構,主管國際無線電通信、標準化和發展電信展覽活動。

1.2 國際化標準分類

按照標準屬性分類,有:

法定標準(de jure standard),如SI單位、ISO標準、IEC標準等由公認的標準化團體制定的標準,具有法律效應；

約定俗成標準(de facto standard),又稱實質標準、事實標準、業界標準等,如微軟公司的軟件Windows、二維碼等,雖然沒有法律的強制性,但在市場上被廣為采用的標準。在某種事物還沒有標準的時候,由擔事的各方相互妥協而成的執行標準。

按照性能分類,有：

體系標準(對體系規格規定的標準)；

硬件標準(對各個器械、部件規定的標準)；

軟件標準(軟件編程的流程等的標準)；

信賴性、安全性標準；

生產方法標準；

試驗方法標準；

資格認定標準(軟件編程能力、技能等標準)；

第三方認證標準 等。

1.3 鐵路工程國際化標準背景

鐵路國際化標準主要與IEC、ISO標準相關[18]。

在國際電工委員會IEC標準中,設置了專門的鐵路專業技術委員會——TC9(鐵路大氣設備與系統)。日本鐵路綜合研究所于2004年,開展了日本TC9技術委員會活動[18]。

在國際標準組織ISO標準中,有對于軌道、車輛材料等部件、器械等的規格、試驗方法方面的標準,卻沒有專門的鐵路專業的技術委員會(TC,Technical Committee)。各標準是在其他相關的專業TC中討論、審查而形成的。因此,在不同專業領域的團體下制定鐵路標準,并不是一件容易的事情。

歐洲為了雄霸國際市場,作為戰略性策略來加速歐共體的標準統一,并努力把歐洲標準EN提升為國際標準。在CEN(歐洲標準化委員會,與ISO相當)、在CENELEC(歐洲電氣標準化委員會,與IEC相當)中,分別設置了鐵路專業標準的技術委員會TC256和TC9X。歐盟科技框架計劃(Framework Program,簡稱FP)是當今世界上最大的官方科技計劃之一,預算急劇增長,第7個FP總預算達505.21億歐元。從1994年第4個FP就開始了鐵路大型技術開發工程。在FP4中,與鐵路關聯的工程有：歐洲鐵路運輸管理系統ERTMS,歐洲火車制動系統ETCS,鐵路無線通信系統GSM-R等工程。在此基礎上,形成了歐洲鐵路信號系統標準。

日本亦不甘落伍,為便于與國際標準接軌,提升鐵路產業的國際戰略,2008年6月,根據國土交通省交通政策審議會陸上交通分會鐵路部會的提議,組建了國家級的“鐵路技術標準化調查研究會”,并設置了“鐵路國際標準中心”,取得了后述的諸多成果[17]。

2 日本鐵路國際標準中心活動概況

2.1 中心組織概況

2010年4月,在公益財團法人鐵道綜合研究所內成立了“鐵路國際標準中心”(鉄道國際規格センター),首任中心長為田中裕研究員。設立中心的目的,就是為了確保日本鐵路運輸更加安全、快速發展鐵路產業,從戰略上構建鐵路技術國際化標準,為國家的社會經濟發展作出應有的貢獻[17]。

為了確保中心活動的公平性和透明性,根據國家“鐵路技術標準化調查研究會”確定的方針、提議進行活動,由會員組成的“計劃運營協議會”審議、決策而行動。運營采用會員制形式,由同意成立中心目的并交納會費的企業、法人、團體等構成。截止2010年12月,已有83個法人、團體會員。事實上,會員基本上囊括了日本所有與鐵路相關的企業或團體,如：北海道、東日本、東海、西日本、四國、九州旅客鐵道株式會社,日本貨物鐵道株式會社等單位。

鐵路國際標準中心下設戰略計劃、標準審議和管理運用等部門。圖1為該中心所處的位置,是日本國際化窗口——日本工業標準調查會(JISC)的一個支撐單位,是推進日本鐵路技術標準國際化的運作實體。

圖1 鐵路國際標準中心所處的位置[17]

鐵路國際標準中心主要的工作內容有：

國際標準的制定、提案；

作為IEC的國內審議團體和ISO的鐵路事務局的活動；

戰略計劃、提案；

基于國際標準對國內標準的提案；

情報收集、分析與情報提供；

對外宣傳日本鐵路技術；

提升鐵路人員認識及人才培養；

推進國際合作。

2.2 取得的國際化標準成果

據統計,2010年10月,正在審議的與鐵路專業相關的IEC標準有73個,ISO標準有7個。其中,由日本主導制定的標準如下[18]。

(1)裝置的環境條件標準(IEC62498—1～3)，這是日本第一次作為召集人(convener)制定的鐵路國際標準,包括第1篇：車載電氣；第2篇：地上電氣設備；第3篇：信號裝置和通訊裝置。本標準的原案是歐洲規范,已于2010年8月發行。

(2)架線和導電架相互作用標準(E62486)，在該標準中,追加了日本使用的集電系的評價方法和評價值,于2010年7月發行。

(3)關于自動運輸系統的安全性重要事件的標準技術報告(IEC/TR62267—2)，為構建自動運輸系統,實現旅客、工作人員的安全而制定的標準。該標準雖然已于2009年7月發行,但是由日本主導的危險度解析的技術報告(TR)已經通過審議,TR部分即將發行。

(4)車輛電力電容器標準(IEC62128)，即將由日本作為國際會議召集人制定。原案就是日本制定的國際標準CDV,包括第1篇：要求事項、試驗與一般規定；第2篇：鋁非固體電解電容器；第3篇：電氣雙層電容器等。

(5)磁懸浮直線電機標準(IEC62520)，由日本于2007年初次提出,將地鐵磁懸浮直線電機的性能、試驗方法和規定上升到鐵路國際標準。終板的國際標準FDIS即將發行。

(6)用于無線列車控制系統的無線系統的性能要求確定順序，由日本提出的國際標準的新提案。

另外,從2010年5月開始,ISO/TC17(鋼鐵)、SC15(軌道及其附屬物)也由中心管理,開展了日本國內的審議團體活動。

3 日本鐵路土木工程標準修訂概況

3.1 鐵路行業標準出版概況

日本國土交通省于2001年發出了《關于鐵路技術標準的規定省令》(《鉄道に関する技術上の基準を定める省令》省令第151號,平成13年)[19],要求鐵路標準從原來的規格規定改成性能規定。由此,鐵路設計的一攬子標準開始著手修訂性能設計型體系,各相關設計標準前后陸續修改出版。表1為鐵路標準名稱及最新版出版時間[11-14]。

表1 鐵路土木工程標準及出版時間

由表1可知,通過近10年的修訂、完善,現階段日本鐵路土木工程設計標準修訂工作暫告結束,完成了2001年省令第151號關于鐵路技術標準的規定的基本任務。以路基工程為例,1992年出版的土結構標準為規格定型設計,2001年～2006年著手修訂,2007年出版了新的性能設計規定型設計法標準[11]；1995年神戶大地震之后,1999年增加了抗震設計標準篇,2012年出版了新的抗震設計標準[12]。由此,從形式上,日本鐵路設計標準已經全部轉軌,性能設計法成為今后鐵路設計的法律依據。

3.2 性能設計法的導入

修訂后的《鐵道構造物等設計標準·同解說》,納入了基于極限狀態概念的性能設計法思想[20-24]。性能設計流程如圖2所示。首先由業主考慮鐵路的重要度、軌道結構、修復的難易程度等條件后確定要求性能；然后,根據設計條件,假定結構斷面,利用極限狀態設計法計算出反應值；針對每一性能設定的限制值,對計算出來的反應值進行校核。

圖2 性能設計法流程(以路基為例) [21]

但是,對于很多巖土工程而言,很多場合下比較容易確定,無需過度的設計計算。因此,從效率上考慮,對要求性能作出等級劃分是必要的。同時,針對不同的作用組合,也有必要區別對待要求性能。表2給出了性能等級和要求性能[22-23]。

表3為結構要求性能與設計的主要作用組合。在結構性能校核中,原則上需要考慮在施工、設計使用年限內性能隨時間變化的問題。

表2 性能等級和要求性能(以路基為例)

圖3為基礎抗力與位移關系圖示,給出了各極限狀態(最終、使用和修復極限狀態)時的抗力與性能要求限制值。在抗震設計篇中,設定了L1和L2兩種地震動級別和相應的穩定等級[22]。

圖3 基礎結構抗力與位移關系及性能限制值[22]

表4列出了結構要求性能、校核項目和校核指標。對于基礎結構,針對各極限狀態,在各種作用組合條件下分別考慮穩定性、承載力、殘留位移等性能項目。對各性能限制值,如垂直承載力、側向承載力、轉角、曲率、材料強度等,逐一進行校核。

表3 結構要求性能與主要作用組合[21]

4 結 語

隨著WTO的推進和市場的國際化,以及歐共體標準的國際化進程,設計標準的國際化顯得越來越急迫,越來越重要。日本在設計標準國際化進程上,積極跟進。在鐵路國際標準中,日本作為國際會議召集人,主導制定的標準或提案已經達到了6個,這在英語國家占盡先機的國際態勢下,所取得的成就是非凡的,是亞洲國家中的佼佼者。

截止到2012年7月,《鐵道構造物等設計標準·同解說》一攬子標準已全部修訂完畢。從標準上,實現了從原來的規格規定型設計到性能設計的轉軌工作。為應對設計標準國際化,日本政府、產業界、大學、研究所齊心協力,采取了一系列的措施,分步、有序的實施方法,組建專門的“鐵路國際標準中心”等的行動,值得我們借鑒學習。

表4 基礎結構要求性能與校核項目和校核指標[22]

致謝：第一作者非常感謝日本一般財團法人土木研究中心、獨立行政法人土木研究所接受他作為外國人交流研究員進行為期1年的訪問研究,為其提供了極大的研究和生活便利,藉此深表謝意!

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