工程結構耐久性與全壽命設計理論研究

許秀穎 羅 明

（北京交通大學海濱學院，河北 黃驊 061100）

0 引言

近年來，建筑工程方面的結構性、耐久性、環境影響問題作為世界關注熱點，尤其是建筑工程后期的維護工作將消耗極大的資源，嚴重阻礙建筑領域的發展進度。與此同時，工程師們也深刻意識到此類問題的是嚴重性，并針對此種現象提出建筑工程全壽命周期引發的經濟性問題。

1 研究目標與發展方向

工程結構一般分為項目初期規劃、總體結構設計、建筑施工環節、管理環節、后期拆除環節。工程結構可體現出完整的建筑特性，并對關聯范圍內的持續發展性、經濟性等進行展現。為此，對于工程的全壽命設計來講，其不僅應對環節的使用周期進行精準分析，來應從滲透到工程結構中的每一個環節，為結構的性能、成本、技術銜接等提供就基礎保障，以實現設計的最優化。

在對工程結構的一系列工程內容進行全壽命設計時，主要是通過不同工作環境、受力模式、預期使用周期等來對工程結構所需要材料的瞬變性進行分析，以此來得出工程結構中存在的機理問題；通過對工程結構使用周期后的土地利用情況進行分析，并依據現象設計框架來對土建工程的預期工作模式進行研究，以此來體現出可持續發展的基本理念；通過全壽命周期的實際應用，來對工程結構的各項建筑環節進行優化，并對產生明顯效果的優化環節進行記錄，以此來逐步完善全壽命設計體系，進而減少工程結構的造價成本，以推動資源節約型社會的發展。

2 研究現狀與發展規律

2.1 研究現狀

每一項工程結構中，由于結構特性、工作模式的不同，其都具備與之相對應的生命周期，在環境、材料、荷載等情況的影響下，將嚴重增加整體工程結構的運行負擔，致使其工作性能下降，增加整體建筑結構的安全風險。與國外相對比，我國對于全壽命周期理論的研究時間較短，其起始時間是在2000年初期，主體研究方向為施工周期項目整合管理、建設周期系項目整合管理、交通建設管理等。在技術、設備、理論的不斷更新下，主體項目研究人員也將全壽命周期從項目管理角度中提取出來，并將其應用到投資控制問題、耐久性問題、抗震性問題中，以此來逐步完善工程結構的安全體系。但現階段，全壽命周期的研究仍停留在成本控制與工作管理過程中，對于性能優化、資金優化、環境優化等方面的投入力度不足，其中大部分理論細節還處于研發過程中。

2.2 發展規律

在工程結構的生命周期內，主要影響因素為結構的耐久性，其不僅對整體結構的性能造成影響，還影響整體工程結構生命周期內的資金投入情況。從工程結構的設計角度開分析，其一般經歷應力最大化設計—破壞階段—臨界狀態點的設計環節。工程結構設計的每一步優化創新，代表整體結構的安全性、穩定性、實用性等又上升到一個新的高度。

經過實際檢測，臨界狀態點的設計方法產生效果較為明顯，按照概率理論分析，得出的數據值要明顯高于其它設計方案的測量數據值，其現也作為國際上通用的設計方法之一。但臨界狀態點的設計方法是基于工程結構的荷載力、剛度來決定的，且主要是對完工狀態下的工程結構進行分析，未能考慮到整體工程結構的退化問題。為此，在工程師們在可持續發展戰略的影響下，開始對工程結構進行細化，充分考慮到每一項工程結構所面臨的結構問題、老化問題、荷載問題等，并對工程結構設計到的資金投入、維修費用、產生的利益、環境影響等方面進行研究，進而令臨界狀態點設計模式逐漸向全壽命設計模式方向過渡。

3 學科問題分析

3.1 耐久性下的工程結構特性

對于工程結構來講，其實際工作環境是以實際建筑需求為基準，在不同種氣候、地理因素的影響下，其侵蝕介質也具有較大的差異性，此種問題也對工程結構的耐久性造成較大的影響。為此，在對工程結構的耐久性進行研究時，應從地理環境、結構特性、功能應用等方面對耐久性進行正確區分。例如，不同區域環境的特征數據采集與數據變化規律；環境影響結構的基準參數探析；工程結構耐久性模型研究；主區域與分區域的邊界測定方法探析等。

3.2 施工材料的實際影響規律

在工程結構的實際施工階段，其是以設計圖紙為主，將立體化、抽象化概念轉變為實體化的過程。在每一項建筑環節中，耐久性問題是以實際施工環節為載體，滲透到每一項建筑工藝中。而目前我國對于建筑材料工作狀態下的耐久性研究較為透徹，但對于建筑材料在施工周期中的研究處于弱勢。為此，在對此類問題進行研究時，應包含建筑材料的級配、添加劑、實際施工環節對建筑材料的性能影響；建筑材料在施工過程中與實際工作狀態下的參數基準比對；在不同施工條件下建筑材料凝結時耦合影響等。

3.3 環境荷載下的劣化機理

工程結構在實際應用過程中，環境因素與實際荷載因素往往存在不確定性，為對傳統單一化的環境框架研究手段進行優化調整，可建構多種自然環境與荷載模式的組合效果，來對工程結構的進行研究。具體研究優化手段包括，環境荷載下侵蝕介質的運動規律；建筑材料內損情況的發生規律、結構部件的性能參數衰減規律；負荷條件下環境影響的耦合因素；建筑材料對整體工程結構耐久性的作用機理；耐久度降低條件下整體工程結構的穩定性分析。

3.4 不同材料間的相互作用機理

在工程結構設計與施工過程中，其需要多種材料進行配合，以提升工程結構的穩定性，例如，鋼結構、混凝土結構、混合機構等，在對此類問題進行研究時，主要是通過不同建筑材料的特性融合模式來對工程結構的耐久性進行分析。在實際研究過程中，包含混合建筑材料中的耐久性機理融合機制研究；鋼結構、混凝土材料的組合下的結構性能分析；建筑材料與自然環境發生反應產生的化合物（鐵銹）在工程結構使用過程中，整體結構的穩定性能分析；新型材料與混合材料的聯用機制分析。

3.5 工程結構耐久度測試體系

在對工程結構的耐久度進行測試時，主要是將信息化技術與檢測模式相結合，在統一化、科學化的檢測基準下，以建筑材料的常態特性、施工特性、應用特性、性能衰減特性為主，來建構完整的測試體系，并應逐步完善測試項目。與此同時，應加大新型檢測技術的研究力度，令測試體系向智能化、精細化方向轉變。

3.6 工程結構耐久度的評估模式

工程結構建設過程中，不可預見性問題發生的概率較大，為確保建筑材料可發揮其較大的功能效用，應對工作狀態下建筑材料進行全過程監督，通過長期檢測數據的積累來制定建筑材料的基準參數。為此，在對工程結構耐久度的評估模式進行建立時，應建立數據信息與耐久度之間的動態基準，并通過隨機理論來對數據信息進行檢測，以提升工程結構全壽命設計的精準性。

4 結語

綜上所述，文章對工程結構與全壽命設計的發展目標與方向進行論述，并對其研究現狀與發展規律進行研究。通過工程結構特性、建筑材料、劣化機理、耐久性測試等，對工程結構與全壽命設計理論進行研究，以此來為工程結構建構完整的生命周期監管體系，進而逐步完善全壽命設計體系。