可持續(xù)發(fā)展理念在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中的滲透實(shí)踐

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

摘要：本文闡述了可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵及在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入可持續(xù)發(fā)展理念的重要性。結(jié)合多年的科研工作，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的最新研究成果滲透到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中，通過分析設(shè)計(jì)可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的方法和途徑，結(jié)構(gòu)概念及耐久性與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，逐步培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的意識(shí)，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；教學(xué)；可持續(xù)發(fā)展；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）52-0196-02

進(jìn)入21世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展觀念開始滲透到社會(huì)各個(gè)方面，現(xiàn)已成為世界上許多國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略。1987年，聯(lián)合國(guó)首次提出并定義了可持續(xù)發(fā)展——“既能滿足現(xiàn)代人類要求，又不損害人類后代滿足自身需求能力的發(fā)展形式”。

一、可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)內(nèi)涵

何為可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)？浙江大學(xué)金偉良教授等認(rèn)為[1]：工程結(jié)構(gòu)的完整周期應(yīng)該包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、老化及廢除各個(gè)階段。可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)就是要求結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中涵蓋上述各個(gè)環(huán)節(jié)，并體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)性和社會(huì)文化可持續(xù)性。從上述定義表述可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋多個(gè)環(huán)節(jié)就是要求設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)考慮施工完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，還應(yīng)考慮到使用及老化等各個(gè)階段結(jié)構(gòu)抵御隨機(jī)外荷載作用的能力；不僅應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)一次投資建造的費(fèi)用，還應(yīng)考慮到后續(xù)維修，加固，改造等的費(fèi)用，不僅應(yīng)考慮當(dāng)前的利益、還應(yīng)考慮后期的風(fēng)險(xiǎn)。

二、可持續(xù)發(fā)展理念在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中滲透的重要性

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程中常見的結(jié)構(gòu)形式，也是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，土木工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)資源和能源的需求迅速增加，特別是對(duì)水泥和鋼材需求增長(zhǎng)更為迅速。水泥、鋼材作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要建筑材料，其生產(chǎn)、建造及使用過程中，一方面不斷消耗自然資源，另一方面對(duì)環(huán)境施加各種負(fù)面影響。如生產(chǎn)水泥所需的石灰石、黏土及用作混凝土集料的砂石開采，會(huì)占用耕地，破壞植被；原材料鋼筋、水泥、砂石等的生產(chǎn)、運(yùn)輸過程需要消耗大量的能源，能源消耗的同時(shí)向大氣、土壤和水中排放CO2、粉塵、噪音、廢液及固體廢物等。當(dāng)對(duì)環(huán)境的影響超過一定的程度，反過來，環(huán)境也會(huì)給人類的生活、生產(chǎn)過程帶來嚴(yán)重的影響。如大量CO2的排放不僅加劇溫室效應(yīng)，它還和SO2與NOx一道形成酸雨危害農(nóng)作物及植被，加速材料和構(gòu)件性能劣化的速度，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，造成大量的建筑垃圾等。

三、可持續(xù)發(fā)展理念在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論教學(xué)中的滲透

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)建設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)，是平衡結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的科學(xué)依據(jù)，也是能否設(shè)計(jì)出具有可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論所采用的基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（現(xiàn)行設(shè)計(jì)法），主要以滿足結(jié)構(gòu)承載能力和剛度條件為設(shè)計(jì)要求，并主要針對(duì)施工完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能退化及耐久性等問題未作充分的考慮[2]。按照這樣的理論方法所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，尤其是一些惡劣環(huán)境條件的港口、碼頭、橋梁等結(jié)構(gòu)，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，許多都出現(xiàn)了使用性能差、耐久性低、服務(wù)壽命短等問題。為此，不得不花費(fèi)巨額資金予以維修、加固甚至拆除重建等。造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失及資源浪費(fèi)，與國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)發(fā)展觀不符。為了將可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)的理念傳授給學(xué)生，筆者立足于現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和教材，首先對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論、方法進(jìn)行深入細(xì)致的講解，并分析其存在的問題。在學(xué)生掌握了現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論、方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身多年的科研工作及最新研究成果，逐步引入結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)的理念，即結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)的理念，讓學(xué)生明白結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)（可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)）需要從結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用、老化及廢除的各個(gè)環(huán)節(jié)綜合考慮結(jié)構(gòu)的整體性能，才能使其達(dá)到最優(yōu)或優(yōu)化。然后從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)、材料性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等多方面對(duì)比分析現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與全壽命設(shè)計(jì)的區(qū)別，如全壽命設(shè)計(jì)相對(duì)于現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，除了需考慮結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、耐久目標(biāo)外，還需要考慮用戶的滿意、社會(huì)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)等。

四、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念分析，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的工程意識(shí)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性涉及結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命期內(nèi)消耗的資源以及對(duì)環(huán)境的影響。因此，在確保結(jié)構(gòu)安全可靠性能的基礎(chǔ)上，提高鋼筋混凝土材料的利用率、減小材料的消耗量，在取得較好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也是對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)。在多年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中，筆者通過歸納、總結(jié)、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)概念分析等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生如何通過提高材料利用率來設(shè)計(jì)截面型式、結(jié)構(gòu)型式等，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。例如，在分析受彎構(gòu)件截面型式選擇過程中，從材料效用的角度出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生分析，矩形截面梁由于截面存在應(yīng)變梯度，靠近中性軸的材料應(yīng)力水平很低，于是將靠近中性軸附近的材料部分去除，就形成了T形、I字形、箱形等截面形式，在不減小構(gòu)件承載力的情況下，可以增大跨越能力，節(jié)省混凝土材料的用量，這樣，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了怎樣去比較截面型式的優(yōu)劣，也明白了鋼筋混凝土受彎構(gòu)件通常不會(huì)做成圓形截面的道理。

同樣在分析結(jié)構(gòu)形式演變過程中，對(duì)于矩形截面梁，因?yàn)榱旱膹澗匮亓洪L(zhǎng)一般是變化的，這樣對(duì)等截面梁來說，大部分區(qū)段應(yīng)力水平均較低。由于梁截面應(yīng)變梯度的存在，只有當(dāng)構(gòu)件是軸心受力時(shí)，材料利用率才可能增大，于是產(chǎn)生了拱結(jié)構(gòu)及合理拱軸線的概念，但由于拱結(jié)構(gòu)曲線構(gòu)造的復(fù)雜性，使設(shè)計(jì)和施工都比較費(fèi)勁，于是又出現(xiàn)了平面桁架形式。平面桁架可以理解為“淘空”的梁，即將梁中多余材料去除，既經(jīng)濟(jì)，又可降低自重，故桁架的上弦相應(yīng)于梁的受壓邊，下弦相應(yīng)于受拉鋼筋。在平面桁架的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)努力增加其平面外的剛度提供平面外約束（增加支撐），若將這些平面外的支撐再連接成桁架，就會(huì)使平面格架變?yōu)槠矫娼徊骅旒埽詈蟀l(fā)展為空間網(wǎng)架。

五、結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是結(jié)構(gòu)在可能引起其性能變化的各種作用（荷載、環(huán)境、材料內(nèi)部因素等）下，在預(yù)計(jì)的使用年限和適當(dāng)?shù)木S修條件下，結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)期抵御性能劣化的能力[3]。過去人們一直認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)是經(jīng)久耐用的，然而，近幾十年的工程實(shí)踐和研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)不能忽視的重要內(nèi)容，耐久性不足將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化，安全可靠性能降低，增加結(jié)構(gòu)使用過程中的維護(hù)、維修加固費(fèi)用及資源和能源的消耗。顯然，結(jié)構(gòu)的耐久性與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系十分密切，如何在傳授課本知識(shí)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)耐久、長(zhǎng)壽命的混凝土結(jié)構(gòu)，是任課教師面臨的新課題，也是建造可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的需要。然而，在目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教科書和教學(xué)內(nèi)容中，僅個(gè)別章節(jié)提到了混凝土耐久性的概念，且缺乏細(xì)致深入的分析和相關(guān)的耐久性設(shè)計(jì)方法。鑒于此，筆者在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中，收集了部分典型耐久性劣化現(xiàn)象的實(shí)際工程圖片展示給學(xué)生，使學(xué)生直觀地感受到耐久性不足對(duì)結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重危害以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速地發(fā)展，人類社會(huì)正面臨著資源、能源短缺，生態(tài)環(huán)境不斷惡化的危機(jī)。設(shè)計(jì)可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)是緩解上述危機(jī)的重要途徑。通過分析設(shè)計(jì)可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的方法和途徑，結(jié)構(gòu)概念及耐久性與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，逐步培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)的意識(shí)，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]金偉良，鐘小平.可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計(jì)理論體系研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2012，14（3）：100-107.

[2]金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]金偉良，鐘小平.結(jié)構(gòu)全壽命的耐久性與安全性、適用性的關(guān)系[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30（6）：1-7.