建筑結構設計可靠度的影響因素與比較研究

吳子昊 肖 艷 湖北華祥建設工程質量檢測有限公司

1 前言

20世紀50年代，我國便開展了大規模的基礎建筑建設，但其建設標準相對較低，在建筑物的鑒定與評估工作中使用的檢測技術較為落后，且多為治標不治本的臨時措施。隨著城市化的不斷發展，大量的建筑物出現在人們的生活中。為了有效控制坍塌事故的發生，保障人們生命安全與財產安全。在此次分析中，將針對建筑物結構設計可靠性進行分析，結構可靠性指建筑物結構在規定時間以及規定條件下完成預定功能的能力。在此次分析中所設定的規定條件指建筑結構的設計使用年限以及正常施工正常使用維護下建筑的使用壽命，預設功能包含了建筑的安全性、適用性以及建筑結構的耐久性。通過對上述部分展開分析，提升建筑物的使用壽命。因此，需要設定相應的方案針對建筑結構設計可靠性的影響因素進行分析，并比較多種因素的比重，以此確定主要影響因素，設定針對性解決措施。

2 建筑結構設計可靠度概述

任何建筑物都會存在相應的質量問題，為保證建筑結構的質量，必須規定質量指標，即性能指標。通過文獻研究可知，建筑結構設計的性能指標可分為三種，即建筑居住的安全性、建筑結構的適用性以及建筑結構的耐久性。建筑結構安全性指建筑結構在正常施工與正常使用的情況下，歷經突發安全事故時與安全事故發生后的建筑結構穩定性。建筑結構的適用性可理解為該建筑物結構在正常使用條件下，滿足各類預設要求的能力。通常情況下，在相應的研究中會設定對應的性能指標體現其具體數值內容，例如人們受到建筑物的影響情況以及建筑結構的損壞情況等。如果該建筑不符合人們規定的要求，將其稱為結構不具備相應的適用性。建筑物結構耐久性指該建筑結構在正常維護的條件下，材料性能隨時間變化出現的退化情況。

建筑結構具有相應的安全性、適用性以及耐久性，可以認定存在一定的可靠性。將上述三種性能合并稱為建筑結構設計可靠性，為了便于理解，將其整合為定義的形式。在規定的時間內與預設條件下，可以實現建筑結構預定的功能，將這種情況稱為建筑結構設計可靠性。為了對其進行系統的量化分析，結合可靠度理論，對內容進行優化。在規定的時間與條件內建筑結構可實現其功能的概率，稱為建筑結構設計可靠度。通過上述理論分析結果，作為此次分析的基礎內容并實現對建筑結構設計可靠度影響因素的細致分析。

3 建筑結構設計可靠度的主要問題

3.1 設計圖不全面

建筑結構設計圖不夠全面，主要體現在以下方面：（1）忽視了對細節的把控，致使圖中存在一定漏洞，導致部分設計圖不符合相關標準要求；（2）設計人員沒有將抗震設計融入圖紙設計中，部分人員未在設計圖紙中注明所需要使用的建筑結構墻體材料類型，缺乏設計說明；（3）部分結構設計圖中沒有詳細數據，工藝注釋不清楚，以致無法為后續施工提供科學指導，導致施工人員無法嚴格按照結構設計圖紙中的要求來執行作業，影響施工效率；（4）相關人員未根據施工實際情況來科學審核結構設計圖紙。

3.2 缺乏施工現場勘察

在開展建筑結構設計工作前，設計人員未深入施工現場進行實地勘察，對施工現場實際情況缺乏了解，沒能獲得可靠的設計參考數據，導致其在設計時出現問題，所設計的建筑結構圖紙與實際情況不符，難以保障建筑工程施工順利開展。缺乏施工現場勘察直接導致設計圖紙中存在一定安全隱患，可操作性不高，不利于提升建筑結構穩定性。

3.3 未進行抗震設計

在建筑結構設計時，忽視了抗震設計環節，影響了建筑結構整體安全性：（1）未對建筑物抗震構件進行科學分析和計算，以致建筑物結構抗震性能達不到規定標準；（2）在設計時沒從整體上綜合考慮，致使建筑結構設計圖紙存在問題，難以保障建筑結構承載力；（3）在設計過程中未選擇合適的施工材料，計算建筑荷載取值時存在誤差，導致最終設計結果不符合相關要求，建筑結構缺乏安全性。

3.4 缺乏房屋結構縫設計

在建筑結構設計時，設計人員忽視了房屋結構縫設計，沒有根據建筑物所在區域氣候環境和自然條件來進行科學設計，致使設計缺乏合理性和可行性。此外，在建筑結構縫處理中，僅采用澆灌方法來處理，只能解決建筑物外觀的美觀性問題，無法保障建筑物結構質量。

3.5 樓板變形程度計算不到位

在建筑結構設計時，缺乏對樓板變形程度的計算，導致計算數據準確性不高。部分人員在設計過程中，沒有對建筑結構進行科學布局，缺乏良好結構設計觀念，僅以力學模型為基礎來進行樓板變形計算，致使計算結果與實際情況不符，導致建筑結構設計方案存在一定安全隱患。

3.6 地基與基礎方面存在問題

部分設計人員在進行結構設計前，并未深入現場進行實地勘察，缺乏詳盡的地質勘察報告，對建筑施工區域周圍環境缺乏了解，容易導致建筑結構設計圖紙和實際不相符，設計圖紙缺乏合理性。在處理軟弱地基時，并未引起相關人員重視，沒有針對軟弱地基采取有效處理措施，導致建筑物承載力達不到預期要求。

4 建筑結構設計可靠度的影響因素分析

4.1 荷載統計參數

有研究發現，荷載統計參數是影響建筑結構設計可靠性的重要原因之一。在建筑結構設計可靠性理論中，建筑物的使用年限通常指按照一定規定設計完成的結構或結構插件，不需要進行大量修理，即可完成預定使用期限目標的時限。通過研究可知，影響此期限長短的主要原因可分為荷載與耐久性兩個方面。因此，在建筑設計過程中，需要設定一定的荷載標準值，取得結構安全與經濟的最佳平衡。

根據文獻分析結果可知，風荷載是影響建筑結構主要的荷載之一。對于建筑結構設計可靠性而言，風荷載是其主要的控制荷載，并主要影響建筑物的形變情況。在正常情況下，建筑物的迎風柱與背風柱之間的距離均不能超過一定的極限值，以此滿足適用性要求。一般情況下，風荷載的數值可以通過規范給出的公式計算得到。對建筑物結構造成影響的荷載為雪荷載，考慮到房屋外層壓力面積分布影響以及設計基準期最大荷載概率分布等元素，可將雪荷載的重現期分為1年、3年、5年、10年等。

鋼筋混凝土結構構件由鋼筋和混凝土兩種材料組成，其抗力統計參數不僅受到上述三方面的影響，還與構件截面尺寸、配筋率、鋼筋和混凝土的材料強度比值等因素有關，影響因素眾多。規范中給出混凝土結構構件材料性能、幾何參數及計算模式不定性的統計參數，以一種典型構件的設計參數為條件，根據抗力計算公式和統計數學中的誤差傳遞公式計算得到各類構件的抗力統計參數。本文根據現行GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》的材料性能和抗力計算公式對其進行適當調整。

4.2 建筑材料失效情況

除外界影響因素外，建筑結構設計中所選用材料的失效情況也會對其可靠性造成一定影響。通過分析可知，在正常的使用極限情況下，結構設計中使用材料的破壞程度與結構設計結果的使用年限具有一定關聯性。結構允許的破壞程度取決于結構本身的耐久性與實用性，即取決于使用者對于建筑結構的主觀因素。

綜合在第一部分提出的外界荷載影響，在此部分中，將內部失效準則設定為兩個部分。側移或撓度失效準則，對于建筑結構設計可靠性而言，建筑物的結構失效通常由其位移所控制。在此次分析，將此兩項的失效準則用于評估建筑發生位移后的失效可靠性，通過允許位移，保證結構的適用性。在現行的結構設計規范中，將建筑物設計結果規范于風荷載標準值下，若建筑物結構水平位移不超過規定值，則建筑物的可靠性較高；反之，建筑可靠性較低。舒適性失效準則，對于建筑結構設計結果，由于此次分析中的建筑物多為可拆卸結構，使用時間相對較短，暫不將其列入考慮范圍。

在進行建筑結構設計結果的可靠性分析中，一般需要搜集大量的資料進行數據分析，對各個變量的概率分布參數進行分析。為了降低計算難度，將建筑結構的形變數據、材料性能荷載等變量在原有的基礎上進行對比。通過此對比結果，計算獲取材料敏感度，敏感度越高的材料其建筑結構設計后的可靠性越低。

5 建筑結構設計可靠度比較方法

在此次設計的方法中，將使用有限元分析法將建筑結構設計結果進行單元劃分，并將其結構極限狀態方程通過數據的形式表達出來。通過計算極限狀態中各參數的分布情況以及統計參數的比值，得到有限元結構下建筑結構設計結果的標準值與均值，利用一次二階矩方程得到此結構的可靠度。

在進行有限元分析的過程中，使用隨機有限元對建筑結構進行分析，求出結構的隨機反應，并根據此反應得到相應的平均值與結構的變異系數。將此計算結果與常用的可靠性分析方法相結合，對建筑結構設計結果的失效概率進行求解。使用此方法不僅可以求得結構可靠性的具體數據，還可以對建筑結構的外在載荷與結構材料進行分析，具有很好的計算效果。在有限元分析的過程中，需要進行大量的迭代運算，應選擇更為高級的計算軟件，作為有限元分析的載體。通過上述方法獲取建筑結構設計可靠性的具體數值，并根據此數值完成對比過程，對比結果具象化體現，可設定相應的等級劃分結果，確定建筑結構設計中的可靠度等級，以此完成建筑結構設計可靠度比較分析。

6 結束語

本文主要對建筑結構設計可靠度的影響因素與比較展開分析。通過研究相關文獻得到了相應的可靠度影響因素分析結果，設定了建筑結構設計可靠度比較方法。本研究還存在不足，在有限元計算過程中未設定對應的邊界條件以及建筑結構三維模型。今后的研究中將針對上述不足展開優化，以此獲得更完善的建筑結構設計結果，提升建筑物使用年限，保證人們的生命和財產安全。