关于建筑结构设计安全度的几点思考
作者 : 未知

   摘要:从事建筑结构设计的基本目的,是在一定的经济条件下,赋予结构以适当的安全度,使结构在预定的使用期限内,能满足所预期的各种功能要求,一般来说,建筑结构必须满足的功能要求是:能承受在正常施工和使用时可能出现的各种作用,且在偶发事件中,仍能保持整体稳定性,即建筑结构需具有的安全性;在正常使用时具有良好的工作性能,建筑结构需具有的适用性;在正常维护下具有足够的耐久性。上述安全性、适用性和耐久性,是建筑结构安全与否的标志,总称为结构的可靠性,对这些性能即结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率,称为结构的安全度,本文就此做一探讨。
   关键词:建筑结构设计 安全度
  
   结构设计安全度的高低,是国家经济和资源状况,社会财富积累程度以及设计施工技术水平与材料质量水准的综合反映。具体来说,选择结构设计安全度要处理好与工程直接造价、维修费用及投资风险(包括生命及财产损失)之间的关系。显然,提高结构设计安全度时,结构的直接造价将有所提高,而维修费用将减少,投资风险亦将减少;如果降低工程造价,则维修费用和投资风险都将提高。所以,确定建筑的结构设计安全度,实际上是在结构造价(包括维修费用在内)与结构风险之间权衡得失,寻求较优的选择。
   一、建筑结构设计安全度的确定。结构设计安全度的高低,是国家经济和资源状况、社会财富积累程度以及设计施工技术水平与材料质量水准的综合反映。确定工程的安全度在一定程度上需以概率和统计为基础,但更多的须依靠经验、工程判断及综合考虑。与国际上一些通用标准相比,我国混凝土结构规范设定的安全度水平偏低,有的偏低较多。这体现在涉及结构安全度的各个环节中,如我国混凝土结构设计规范取用的荷载值比国外低,材料强度值比国外高,估计结构承载力所用计算公式的安全度低于国外甚至在个别情况下偏于不安全,对结构的构造规定又远比国外要求低。
   现行规范安全度与国际相比虽然偏低,但是可以接受,这是数十年来成功建成数百亿平方米建筑物的长期实践加以证实的。但考虑到客观形势变化,国家经济实力增强和住宅制度改革现状,可以将现行设计可靠度水平适当提高一点,这样投入不大,却对长远利益有利。
   二、结构安全度设计,宜提倡节约。节约能源是我国经济建设中的一项重大决策,它直接关系到企业的经济效益和人民群众的日常生活。作为一个结构设计工程师,重要职责之一,就是以较少的材料去完成建筑物各种功能的要求。以钢结构设计为例,影响建筑物结构用钢量的宏观因素,首先是建筑物的体型(平面长度尺寸及长宽比、竖向高宽比、立面形状等),其次是柱网尺寸、层高以及主要抗侧力构件所在位置等。(1)平面长度尺寸:即结构单元是否超长,当建筑物较长,而结构又不设永久缝时就成为超长建筑。超长建筑由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力,它相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力,其单位面积用钢量显然要多些。(2)平面长宽比:平面长宽比较大的建筑物,不论其是否超长,由于两主轴方向的动力特性(也即整体刚度)相差甚远,在水平力(风力或地震)作用下,两向构件受力的不均匀性造成配筋不均。(3)竖向高宽比:这主要针对高层建筑而言,高宽比大的建筑其结构整体稳定性肯定不如高宽比小的建筑,为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移,势必要设置较刚强的抗侧力构件来提高结构的侧向刚度,这类构件的增多自然使得用钢量增多匀,使得其单位面积用钢量相对于平面长宽比接近的建筑物要多。(4)立面形状:这是指竖向体型的规则性和均匀性,即外挑或内收程度以及竖向刚度有否突变等。如侧向刚度从下到上逐渐均匀变化,则其用钢量就较少,否则将增多,较典型的有竖向刚度突变的设转换层的高层建筑。
   三、转变设计思想,全面提高安全度水平。(1)建筑结构作为特殊商品,确定其设计安全度的高低不再是纯政府行为,至少会有房屋开发商、保险业和用户参与。开发商应该对其出售建筑物的安全质量负责,在影响售价不多的情况下应尽可能提高安全度,更高的安全性能应作为房屋开发商促销和竞争的一个热点。(2)我国现行结构设计标准的低安全度原则已不能适用当前的国情,提高我国建筑结构的安全度水平将有利于生产、生活水准的改善,有利于国民经济发展,也符合建筑物业主的利益和要求。(3)从提高结构安全度出发,为了改善结构物的安全性,要提倡合理地多用钢材,而不再是挖空心思地节约钢材。
   四、建筑结构设计与施工过程均要始终贯穿建筑物安全意识和施工安全意识,认真执行国家标准与规范,防微杜渐。建筑结构设计工作的重要职责之一,就是运用科学合理的方法、以较低的建造成本去满足建筑物各种功能的要求,节约材料,降低建造成本。安全与节约是一对矛盾。如果将构件截面任意加大,材料用量任意增多,这是每个建筑师都能做而且也是乐意做的,但结构工程技术人员就不能只考虑效率,他还必须考虑效益。因此,安全与节约必须有机地统一起来。
   五、建筑结构设计中的规范要根据国家政策而定。一个国家的规范,不仪仅是技术性的,还有更强的政策性,许多方面,是一个国家经济条件的直接反映。因此,我国规范的材料用量,当然应该比发达国家低,也即安全度应该低一些。这方面我们完全可以理直气壮地说,我们过去的设计标准,是符合我国国情的,也就是说是安全的。当然某些局部有不足,要不断修改。国外的规范也不是十全十美的,也在不断的修改。我们过去的结构成功地经受了几十年的考验,那就是说我们的规范,基本是正确的,安全度基本是能满足要求的。现存这种关于建筑结构设计安全度的讨论是正常的,但我担心会不会引起误导,使一些设计人员误以为按我国规范进行设计会造成不安全,以致盲目加大构件截面,增加用钢量,造成不必要的浪费。这种可能性,是不能不防的。
   总之,建筑结构设计安全度的最终目标是实现“三性”:安全性,在正常使用条件下能承受可能出现的各种外荷载作用;在特殊情况下仍能保持建筑物整体稳定、不倒塌;适用性,在正常使用情况下具有良好的工作性能,即能正常发挥建筑物各分部的使用功能;耐久性,在正常使用和维护条件下具有足够长的安全使用寿命。近些年,我国建筑设计安全度大大提高,施工质量保证体系已经建立和健全,建筑设计安全规范已与国际惯例接轨,这有利于提升我国建筑业界的国际形象。我们相信,随着建设部关于建筑结构设计安全的相关规定的出台,中国建筑设计安全体系将进一步建立健全,建筑结构设计安全度与施工质量的有机统一将成为行业惯例,最终促进我国建筑质量与安全水平的提高。

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