對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度和規(guī)范修訂的幾點(diǎn)看法

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 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度和規(guī)范修訂的幾點(diǎn)看法

陳肇元 教授清華大學(xué)土木工程系教授中國(guó)工程院院士中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng) 摘 要 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度和規(guī)范的修訂，提出了以下三方面看法：①規(guī)范中的安全度設(shè)定水平需要大幅度提高；②關(guān)于可靠度設(shè)計(jì)理論；③關(guān)于設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)制性。 關(guān)鍵詞 混凝上結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)規(guī)范 可靠度設(shè)計(jì) 安全度設(shè)定水平對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的安全度設(shè)置水平，我在1998年7月提交規(guī)范修訂組領(lǐng)導(dǎo)的一封信中和1999年年初刊出的一篇文章[1]中已經(jīng)表達(dá)了看法。 　　這篇題為《要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度》的文章，代表了一部分同志的看法，原本是應(yīng)約撰寫(xiě)，從不同角度為規(guī)范修訂提供參考意見(jiàn)。這份材料中有兩處不妥，一是對(duì)抗震設(shè)計(jì)的“小震不壞”原則提出了質(zhì)疑而又未做詳細(xì)解釋。我在原稿寄出后不久就寫(xiě)信通知要求刪去，但最后還是未能及時(shí)轉(zhuǎn)到雜志社并刊了出來(lái)。另外，這篇文章冠以“建筑結(jié)構(gòu)”的標(biāo)題也不合適，因?yàn)槲闹兄徽摷盎炷两Y(jié)構(gòu)，而鋼、木等結(jié)構(gòu)的安全度可能是另一回事。 1、規(guī)范中的安全度設(shè)定水平需要大幅度提高 　　我對(duì)規(guī)范低安全度的看法，最早源于從事高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)科研和推廣應(yīng)用工作中的感受。用現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)C50～C60級(jí)高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，其安全儲(chǔ)備比普通強(qiáng)度的混凝土還要低，給推廣造成困難和阻力，何況一項(xiàng)新技術(shù)的開(kāi)始應(yīng)用會(huì)存在經(jīng)驗(yàn)不足等問(wèn)題，更需要有較為寬松的安全度環(huán)境；過(guò)低的安全度難免捉襟見(jiàn)肘，對(duì)新技術(shù)推廣不利。我國(guó)規(guī)范安全度與國(guó)外的差別已有不少資料作過(guò)報(bào)道，現(xiàn)在再看我國(guó)規(guī)范安全度從解放后的演變，以受彎構(gòu)件為例，將安全度統(tǒng)一折算成解放初期按破損階段設(shè)計(jì)方法時(shí)的總安全系數(shù)K，則在最早的東北人民政府設(shè)計(jì)規(guī)程中K等于2.0；后改為與當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)規(guī)范相同即1.8，但鋼材強(qiáng)度取值仍低于蘇聯(lián)；約在1956年后，按三系數(shù)極限狀態(tài)方法的蘇聯(lián)規(guī)范設(shè)計(jì)，K降到約1.55～1.6，1965年我國(guó)頒布的BJG21-66規(guī)范與此相同；1974年頒布TJ10-74規(guī)范，受彎構(gòu)件K值又略有降低；1989年頒布的現(xiàn)行規(guī)范，K值大體保持在1965年規(guī)范的水平。這里需要指出的是，50年代設(shè)計(jì)時(shí)所用的樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值基本參照了蘇聯(lián)荷載規(guī)范的取值，而在1959年頒布我國(guó)的荷載規(guī)范后，不少類(lèi)型建筑物的樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值都降低了，導(dǎo)致這類(lèi)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的進(jìn)一步降低。 　　橫向比較各國(guó)規(guī)范以及豎向縱觀我國(guó)規(guī)范的演變，可以深切體會(huì)到規(guī)范作為上層建筑，必然反映時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的特色和需要。在這次規(guī)范修訂中，除了必需從專(zhuān)業(yè)的技術(shù)角度對(duì)安全度作細(xì)致分析外，如何從社會(huì)經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行深入探討可能更為重要。這是因?yàn)槲覈?guó)正處在從短缺型的社會(huì)主義計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制過(guò)渡到社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)型期，而整個(gè)世界正面臨科技和生產(chǎn)飛速更新時(shí)代的到來(lái)。近十年來(lái)，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況發(fā)生了從未有過(guò)的根本性變化，而我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的建筑物又必需適應(yīng)今后幾十年乃至上百年內(nèi)生產(chǎn)和生活水平的發(fā)展。 　　規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)如何從短缺型計(jì)劃經(jīng)濟(jì)影響下走出來(lái)，使之更好地為社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)服務(wù)，這是本次規(guī)范修訂不同于以往歷次修訂的主要區(qū)別，理應(yīng)作為本次修訂中首要考慮的問(wèn)題。隨便舉例來(lái)說(shuō)，我們對(duì)普通公寓住宅的層高標(biāo)準(zhǔn)作了限制，在北京地區(qū)規(guī)定為2.7m（凈空僅2.55m），也不準(zhǔn)設(shè)計(jì)人員或用戶提高房屋抗震設(shè)防等級(jí)，這些限制是否反映了過(guò)去短缺經(jīng)濟(jì)年代的特色？短缺經(jīng)濟(jì)的主要傾向是竭盡全力去約束消費(fèi)和限制投資，并伴以過(guò)多的行政干預(yù)來(lái)加以保證。過(guò)去講節(jié)約，偏重于初期一次性投資和用料的節(jié)省，較少顧及長(zhǎng)期和整體效益，更少考慮用戶的利益和要求；設(shè)計(jì)規(guī)范的低安全度和某些荷載標(biāo)準(zhǔn)值的過(guò)低取值，也是短缺經(jīng)濟(jì)造成的。在今天的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，如果只需花相對(duì)較少的錢(qián)，換得更為結(jié)實(shí)耐久的房子住，應(yīng)屬合理消費(fèi)受到鼓勵(lì)，為此而必須多花一些鋼材也屬于合理使用，說(shuō)不上有違節(jié)約原則。安全度的設(shè)置本來(lái)就是用來(lái)對(duì)付比較意外的情況，低安全度的房子盡管在一般情況下安全可靠，但是抵御外界不確定性作用的能力相對(duì)較弱。房子結(jié)實(shí)些，壽命長(zhǎng)些，符合國(guó)家提高人民生活質(zhì)量的要求；萬(wàn)一發(fā)生不測(cè)地震，可以減少生命財(cái)產(chǎn)損失；再說(shuō)這種合理消費(fèi)并不要政府掏錢(qián)，而且合理的多用些鋼材、水泥又能促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，從眼前講，還多少能緩解通貨緊縮的困難。這些說(shuō)法從短缺經(jīng)濟(jì)的立場(chǎng)上看是格格不入的，但符合眼前和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需要。 　　當(dāng)然，節(jié)約作為人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的需要和一種美德，應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的重要守則。這里提出探討的只是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代曾經(jīng)盛行一時(shí)的片面的節(jié)約，但即使是那種節(jié)約在過(guò)去短缺經(jīng)濟(jì)下仍是合理和必需的，問(wèn)題是將它搬到今天的社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和體制下，有時(shí)就不再適宜。 　　提高結(jié)構(gòu)的安全性能需要從結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)布置、材料選擇等多個(gè)方面作出努力，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性、延性和耐久性，提高其抗御不測(cè)之災(zāi)和防止倒塌、特別是抵抗連續(xù)倒塌的能力。也許基于概念設(shè)計(jì)的這些措施，對(duì)于增進(jìn)結(jié)構(gòu)安全更為有效且更符合經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則。比如這次規(guī)范修訂組提出的用新Ⅲ級(jí)鋼替代Ⅱ級(jí)或Ⅰ級(jí)鋼，就能帶來(lái)立竿見(jiàn)影的效果?？墒菫榱嗽鰪?qiáng)延性和防倒塌能力，主要還得靠合理加大構(gòu)造用鋼量。上述與結(jié)構(gòu)安全性能有關(guān)的眾多因素較難用數(shù)值形式加以度量，而我們?cè)谶@里所討論的安全度，則僅限于截面強(qiáng)度的安全度和與之有關(guān)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值等能夠用數(shù)值度量的那些參數(shù)。 　　提出要大幅度提高設(shè)計(jì)安全度，無(wú)非是基于客觀形勢(shì)變化和對(duì)現(xiàn)行安全度進(jìn)行初步分析比較后的一種宏觀的定性估計(jì)。究竟需要提高多少，則需經(jīng)過(guò)課題立項(xiàng)研究才能確定。對(duì)于規(guī)范修訂組這次提出的設(shè)計(jì)可靠度改進(jìn)意見(jiàn)[2]，總的趨勢(shì)是往高處調(diào)，對(duì)此我表示擁護(hù)；雖然幅度不夠大。我國(guó)幅員廣闊，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展很不平衡，象京、滬、穗等國(guó)際性大都市，建筑結(jié)構(gòu)的安全度應(yīng)高些，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的邊緣地區(qū)允許適當(dāng)?shù)托?。?guī)范修訂時(shí)是否尚可通過(guò)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，或者荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值，或地方性標(biāo)準(zhǔn)予以區(qū)別對(duì)待，大城市的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備是否能再高些，當(dāng)然也可以分步漸進(jìn)。鋼材的分項(xiàng)系數(shù)過(guò)去偏低，似不宜再低于1.1。梁的最小配筋率一般根據(jù)截面抗彎屈服能力不低于截面拉區(qū)混凝上抗裂能力的原則來(lái)定，具體計(jì)算時(shí)所用的材料強(qiáng)度似宜采用平均值而不是標(biāo)準(zhǔn)值，否則從概率保證的角度不能符合要求。 2、關(guān)于可靠度設(shè)計(jì)理論 　　將可靠度設(shè)計(jì)理論用于設(shè)計(jì)規(guī)范，不論在學(xué)術(shù)或工程界一直有分歧意見(jiàn)[3]。我傾向于多安全系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，因?yàn)槠渲袑?duì)安全度的表示比較靈活又易于理解，而且在確定各項(xiàng)安全系數(shù)時(shí)并不排斥利用可靠度理論手段進(jìn)行分析對(duì)比，然后再綜合考慮其它因素加以修正。 　　由于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范業(yè)已采用了可靠度設(shè)計(jì)理論，其在規(guī)范中的計(jì)算表達(dá)形式又與多安全系數(shù)方法相似，在實(shí)用上姑且將它理解為多安全系數(shù)也并無(wú)不可。在這種情況下，我贊成承認(rèn)現(xiàn)實(shí)，在這次修訂中還是保留現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法體系為好?？煽慷壤碚搶?duì)于不同類(lèi)型工程結(jié)構(gòu)的適用程度肯定會(huì)有很大差別，用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)尚沒(méi)有解決不了的大問(wèn)題，所以不宜再變。至于尚未使用的規(guī)范似宜適當(dāng)放慢“統(tǒng)一”步伐，實(shí)在難以使用的更不宜通過(guò)行政手段去統(tǒng)一?？煽慷壤碚撨€在發(fā)展，這方面的學(xué)術(shù)討論希望能夠深入開(kāi)展下去。 　　結(jié)構(gòu)安全度需要考慮的因素過(guò)于綜合，尤其是規(guī)范中的結(jié)構(gòu)安全度，它不同于某個(gè)具體工程，需要考慮和照顧的方面更多，包括非技術(shù)性的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、政策因素等等?？煽慷仍O(shè)計(jì)理論有其先進(jìn)的一面，也有其不足之處；可靠度理論也有某些假定和約束條件，會(huì)有意或無(wú)意地省略某些本應(yīng)考慮而用這一理論又難以處理的一些因素。技術(shù)科學(xué)理論一般擅長(zhǎng)于分析，而規(guī)范安全度的設(shè)定除了要用分析外更需要綜合，因此經(jīng)驗(yàn)和判斷更為重要。 　　可靠度理論強(qiáng)調(diào)三個(gè)“正常”作為前提，即正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用。這三個(gè)正常帶有較大的模糊性，有時(shí)甚難界定。比如野蠻施工絕非正常，很容易確認(rèn)；可是針對(duì)我國(guó)施工中的上千萬(wàn)農(nóng)民隊(duì)伍以及管理水平薄弱的現(xiàn)狀，這種狀況是否正常？這個(gè)問(wèn)題帶有普遍性，而且要改變這一狀況需有較長(zhǎng)的過(guò)程。如果在設(shè)定規(guī)范安全度水平時(shí)完全不予理采，不考慮它會(huì)增加某種程度人為失誤的可能性及其對(duì)工程質(zhì)量的影響，顯然是不合適的。規(guī)范面對(duì)的是群體而不是某個(gè)具體建筑的施工現(xiàn)場(chǎng)。我們不能因?yàn)椴缓媒y(tǒng)計(jì)、不好用理論分析處理，就將某些應(yīng)該考慮的問(wèn)題列入不正常。再舉居民裝修房屋用地板磚壓裂了預(yù)制混凝土樓板的事例，有的同志認(rèn)為這是不正常使用，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮過(guò)裝修地面；或者認(rèn)為這是不正常設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)漏掉了地板磚這項(xiàng)恒載，而規(guī)范則無(wú)責(zé)任。但是用戶則認(rèn)為現(xiàn)在城市里家家搞裝修，不裝修才是不正常使用。而設(shè)什人員也說(shuō)地面裝修應(yīng)屬活載，因?yàn)榻裉斓匕宕u，明天拆掉改成木地板，不能作為恒載，仍反正常設(shè)計(jì)。這個(gè)問(wèn)題其實(shí)出在規(guī)范荷載標(biāo)準(zhǔn)值的統(tǒng)計(jì)上，規(guī)范的荷載統(tǒng)計(jì)樣本取自過(guò)去不搞裝修的短缺經(jīng)濟(jì)年代里。所以單憑過(guò)去或現(xiàn)有樣本所得出的荷載統(tǒng)計(jì)值，理論上看來(lái)完整無(wú)缺，但用到規(guī)范仍需通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和判斷加以修正，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)尚不能代表未來(lái)可能的發(fā)展。但如規(guī)范的安全度比較寬裕，就不至于出現(xiàn)這種問(wèn)題。這次規(guī)范修訂組提出了今后要加列裝修荷載，對(duì)于這一規(guī)定，似乎還可商榷，因?yàn)殡S著生產(chǎn)、生活水平的發(fā)展，類(lèi)似裝修荷載那樣的其它小型荷載，在今后幾十年內(nèi)還有可能出現(xiàn)。我們現(xiàn)在很難加以充分想象和估計(jì)，這類(lèi)小型荷載應(yīng)該通過(guò)提高活載的標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)來(lái)解決。國(guó)外規(guī)范的樓板荷載中還考慮偶然撞擊的影響。作出這些改進(jìn)其實(shí)都容易辦到，因?yàn)槊科矫自靸r(jià)可能增加不了5元錢(qián)。 　　前些時(shí)候有報(bào)紙報(bào)道，有些房管部門(mén)給住戶發(fā)通知，規(guī)定住戶室內(nèi)荷載不許超過(guò)1.5kPa，即規(guī)范確定的標(biāo)準(zhǔn)值。這種做法損害了住戶的利益，荷載標(biāo)準(zhǔn)值是按正常使用情況統(tǒng)計(jì)出來(lái)的，統(tǒng)計(jì)對(duì)象中有的就超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，否則就用不到荷載分項(xiàng)系數(shù)。這一房管部門(mén)的做法不知出于何種考慮，也給住戶帶來(lái)心理壓力。但是這種現(xiàn)象是否從另一個(gè)側(cè)面反映了設(shè)計(jì)安全度過(guò)低所帶來(lái)的不必要麻煩。 3、關(guān)于設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)制性 　　我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范是強(qiáng)制性的。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，規(guī)范就是法律，只要不違反規(guī)范要求，即使設(shè)計(jì)出了問(wèn)題，設(shè)計(jì)人就有可能不負(fù)任何法律責(zé)任。而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的許多設(shè)計(jì)規(guī)范則是指導(dǎo)推薦性的，設(shè)計(jì)出了問(wèn)題得自己負(fù)責(zé)，休想將責(zé)任推向規(guī)范。所以我國(guó)規(guī)范的編制工作有著更高的要求，同時(shí)也會(huì)遇到一些不好解決的困難。以往的最小配筋率為例，國(guó)外規(guī)范中是0.8％～1％，這個(gè)數(shù)值作為指導(dǎo)值是比較適宜的，而設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體情況取用更低的配筋率。例如國(guó)際知名的芝加哥Water Tower大廈，其上層柱的軸力甚小，而截面和承載力很大，所以一些柱的配筋率就遠(yuǎn)低于ACI規(guī)范的最小配筋率，但如換成我國(guó)規(guī)范，也采用0.8％～1％的最小配筋率，遇到這一情況就不能合理降低配筋率?？墒侨鐚⒅淖钚∨浣盥识ǖ玫土?，當(dāng)柱的軸力與承載力相比業(yè)已達(dá)到相近的程度，那么0.4％的最小配筋率顯然偏低，因而出現(xiàn)高也不是、低也不是的困難。又如我國(guó)規(guī)范并沒(méi)有明文規(guī)定設(shè)計(jì)人員不準(zhǔn)采用高于規(guī)范設(shè)定的安全度水平，但在過(guò)去計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代的影響下，缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員有時(shí)還是不善于針對(duì)具體工程對(duì)象的需求和具體的施工環(huán)境條件，必要時(shí)加以靈活運(yùn)用；而與此相反，某些故意鉆規(guī)范空子的人則會(huì)沿著規(guī)范允許的最低邊緣路線行事，以達(dá)到其不良目的并推卸責(zé)任。 　　要解決這些難題，根本的辦法是逐漸淡化規(guī)范的強(qiáng)制性質(zhì)。強(qiáng)制性規(guī)范還不利于人們發(fā)揮創(chuàng)造性。在今天市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，尤其要求設(shè)計(jì)人員有更強(qiáng)的創(chuàng)新精神，去適應(yīng)日益豐富多彩和功能千奇百怪的工程建筑物以及迅速發(fā)展變化的生產(chǎn)和生活方式。一本比較簡(jiǎn)明的規(guī)范，再加上各種各樣正規(guī)的指導(dǎo)性專(zhuān)題技術(shù)文件（指南、建議等）與之配套，對(duì)設(shè)什人員來(lái)說(shuō)可能更為好用和更有幫助。不過(guò)這又會(huì)牽涉到規(guī)范管理體制上的改革，已是超出這次規(guī)范修訂的題外話了。   參考文獻(xiàn) 　1 陳肇元，要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度，建筑結(jié)構(gòu)，1999年第1期 　2 李明順、胡德炘，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度設(shè)定水平的分析與改進(jìn)意見(jiàn)，1999年7月 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度專(zhuān)題討論會(huì)的討論發(fā)言綜述（1999年5月14日）．中國(guó)土木工程學(xué)報(bào)，待發(fā)表 　(摘自《建筑科學(xué)》第15卷第5期pp23-pp25,1999年10月)