對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度和規(guī)范修訂的幾點看法

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 對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度和規(guī)范修訂的幾點看法

陳肇元 教授清華大學(xué)土木工程系教授中國工程院院士中國土木工程學(xué)會副理事長 摘 要 對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度和規(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)計理論；③關(guān)于設(shè)計規(guī)范的強制性。 關(guān)鍵詞 混凝上結(jié)構(gòu) 設(shè)計規(guī)范 可靠度設(shè)計 安全度設(shè)定水平對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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)表達了看法。 　　這篇題為《要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度》的文章，代表了一部分同志的看法，原本是應(yīng)約撰寫，從不同角度為規(guī)范修訂提供參考意見。這份材料中有兩處不妥，一是對抗震設(shè)計的“小震不壞”原則提出了質(zhì)疑而又未做詳細解釋。我在原稿寄出后不久就寫信通知要求刪去，但最后還是未能及時轉(zhuǎn)到雜志社并刊了出來。另外，這篇文章冠以“建筑結(jié)構(gòu)”的標(biāo)題也不合適，因為文中只論及混凝土結(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 　　我對規(guī)范低安全度的看法，最早源于從事高強混凝土結(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C50～C60級高強混凝土結(jié)構(gòu)，其安全儲備比普通強度的混凝土還要低，給推廣造成困難和阻力，何況一項新技術(shù)的開始應(yīng)用會存在經(jīng)驗不足等問題，更需要有較為寬松的安全度環(huán)境；過低的安全度難免捉襟見肘，對新技術(shù)推廣不利。我國規(guī)范安全度與國外的差別已有不少資料作過報道，現(xiàn)在再看我國規(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)計方法時的總安全系數(shù)K，則在最早的東北人民政府設(shè)計規(guī)程中K等于2.0；后改為與當(dāng)時的蘇聯(lián)規(guī)范相同即1.8，但鋼材強度取值仍低于蘇聯(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，K降到約1.55～1.6，1965年我國頒布的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)計時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年頒布我國的荷載規(guī)范后，不少類型建筑物的樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值都降低了，導(dǎo)致這類結(jié)構(gòu)安全儲備的進一步降低。 　　橫向比較各國規(guī)范以及豎向縱觀我國規(guī)范的演變，可以深切體會到規(guī)范作為上層建筑，必然反映時代社會經(jīng)濟的特色和需要。在這次規(guī)范修訂中，除了必需從專業(yè)的技術(shù)角度對安全度作細致分析外，如何從社會經(jīng)濟的角度進行深入探討可能更為重要。這是因為我國正處在從短缺型的社會主義計劃經(jīng)濟體制過渡到社會主義市場經(jīng)濟體制的轉(zhuǎn)型期，而整個世界正面臨科技和生產(chǎn)飛速更新時代的到來。近十年來，我國的社會經(jīng)濟狀況發(fā)生了從未有過的根本性變化，而我們現(xiàn)在設(shè)計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)如何從短缺型計劃經(jīng)濟影響下走出來，使之更好地為社會主義市場經(jīng)濟基礎(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題。隨便舉例來說，我們對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)計人員或用戶提高房屋抗震設(shè)防等級，這些限制是否反映了過去短缺經(jīng)濟年代的特色？短缺經(jīng)濟的主要傾向是竭盡全力去約束消費和限制投資，并伴以過多的行政干預(yù)來加以保證。過去講節(jié)約，偏重于初期一次性投資和用料的節(jié)省，較少顧及長期和整體效益，更少考慮用戶的利益和要求；設(shè)計規(guī)范的低安全度和某些荷載標(biāo)準(zhǔn)值的過低取值，也是短缺經(jīng)濟造成的。在今天的市場經(jīng)濟體制下，如果只需花相對較少的錢，換得更為結(jié)實耐久的房子住，應(yīng)屬合理消費受到鼓勵，為此而必須多花一些鋼材也屬于合理使用，說不上有違節(jié)約原則。安全度的設(shè)置本來就是用來對付比較意外的情況，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較弱。房子結(jié)實些，壽命長些，符合國家提高人民生活質(zhì)量的要求；萬一發(fā)生不測地震，可以減少生命財產(chǎn)損失；再說這種合理消費并不要政府掏錢，而且合理的多用些鋼材、水泥又能促進生產(chǎn)發(fā)展，從眼前講，還多少能緩解通貨緊縮的困難。這些說法從短缺經(jīng)濟的立場上看是格格不入的，但符合眼前和長遠利益以及市場經(jīng)濟的需要。 　　當(dāng)然，節(jié)約作為人類可持續(xù)發(fā)展的需要和一種美德，應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的重要守則。這里提出探討的只是計劃經(jīng)濟年代曾經(jīng)盛行一時的片面的節(jié)約，但即使是那種節(jié)約在過去短缺經(jīng)濟下仍是合理和必需的，問題是將它搬到今天的社會經(jīng)濟狀況和體制下，有時就不再適宜。 　　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、材料選擇等多個方面作出努力，以加強結(jié)構(gòu)的整體性、延性和耐久性，提高其抗御不測之災(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)計的這些措施，對于增進結(jié)構(gòu)安全更為有效且更符合經(jīng)濟節(jié)約的原則。比如這次規(guī)范修訂組提出的用新Ⅲ級鋼替代Ⅱ級或Ⅰ級鋼，就能帶來立竿見影的效果?？墒菫榱嗽鰪娧有院头赖顾芰Γ饕€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，而我們在這里所討論的安全度，則僅限于截面強度的安全度和與之有關(guān)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值和材料強度標(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)計安全度，無非是基于客觀形勢變化和對現(xiàn)行安全度進行初步分析比較后的一種宏觀的定性估計。究竟需要提高多少，則需經(jīng)過課題立項研究才能確定。對于規(guī)范修訂組這次提出的設(shè)計可靠度改進意見[2]，總的趨勢是往高處調(diào)，對此我表示擁護；雖然幅度不夠大。我國幅員廣闊，各地經(jīng)濟發(fā)展很不平衡，象京、滬、穗等國際性大都市，建筑結(jié)構(gòu)的安全度應(yīng)高些，經(jīng)濟不發(fā)達的邊緣地區(qū)允許適當(dāng)?shù)托?。?guī)范修訂時是否尚可通過結(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)別對待，大城市的結(jié)構(gòu)安全儲備是否能再高些，當(dāng)然也可以分步漸進。鋼材的分項系數(shù)過去偏低，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定，具體計算時所用的材料強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)計理論 　　將可靠度設(shè)計理論用于設(shè)計規(guī)范，不論在學(xué)術(shù)或工程界一直有分歧意見[3]。我傾向于多安全系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計法，因為其中對安全度的表示比較靈活又易于理解，而且在確定各項安全系數(shù)時并不排斥利用可靠度理論手段進行分析對比，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)計規(guī)范業(yè)已采用了可靠度設(shè)計理論，其在規(guī)范中的計算表達形式又與多安全系數(shù)方法相似，在實用上姑且將它理解為多安全系數(shù)也并無不可。在這種情況下，我贊成承認(rèn)現(xiàn)實，在這次修訂中還是保留現(xiàn)有的設(shè)計方法體系為好?？煽慷壤碚搶τ诓煌愋凸こ探Y(jié)構(gòu)的適用程度肯定會有很大差別，用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)尚沒有解決不了的大問題，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，實在難以使用的更不宜通過行政手段去統(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展下去。 　　結(jié)構(gòu)安全度需要考慮的因素過于綜合，尤其是規(guī)范中的結(jié)構(gòu)安全度，它不同于某個具體工程，需要考慮和照顧的方面更多，包括非技術(shù)性的社會經(jīng)濟因素、政策因素等等?？煽慷仍O(shè)計理論有其先進的一面，也有其不足之處；可靠度理論也有某些假定和約束條件，會有意或無意地省略某些本應(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)驗和判斷更為重要。 　　可靠度理論強調(diào)三個“正常”作為前提，即正常設(shè)計、正常施工和正常使用。這三個正常帶有較大的模糊性，有時甚難界定。比如野蠻施工絕非正常，很容易確認(rèn)；可是針對我國施工中的上千萬農(nóng)民隊伍以及管理水平薄弱的現(xiàn)狀，這種狀況是否正常？這個問題帶有普遍性，而且要改變這一狀況需有較長的過程。如果在設(shè)定規(guī)范安全度水平時完全不予理采，不考慮它會增加某種程度人為失誤的可能性及其對工程質(zhì)量的影響，顯然是不合適的。規(guī)范面對的是群體而不是某個具體建筑的施工現(xiàn)場。我們不能因為不好統(tǒng)計、不好用理論分析處理，就將某些應(yīng)該考慮的問題列入不正常。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，因為設(shè)計時并沒有考慮過裝修地面；或者認(rèn)為這是不正常設(shè)計，因為設(shè)計人員在設(shè)計時漏掉了地板磚這項恒載，而規(guī)范則無責(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)什人員也說地面裝修應(yīng)屬活載，因為今天地板磚，明天拆掉改成木地板，不能作為恒載，仍反正常設(shè)計。這個問題其實出在規(guī)范荷載標(biāo)準(zhǔn)值的統(tǒng)計上，規(guī)范的荷載統(tǒng)計樣本取自過去不搞裝修的短缺經(jīng)濟年代里。所以單憑過去或現(xiàn)有樣本所得出的荷載統(tǒng)計值，理論上看來完整無缺，但用到規(guī)范仍需通過經(jīng)驗和判斷加以修正，因為這些數(shù)據(jù)尚不能代表未來可能的發(fā)展。但如規(guī)范的安全度比較寬裕，就不至于出現(xiàn)這種問題。這次規(guī)范修訂組提出了今后要加列裝修荷載，對于這一規(guī)定，似乎還可商榷，因為隨著生產(chǎn)、生活水平的發(fā)展，類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，這類小型荷載應(yīng)該通過提高活載的標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的分項系數(shù)來解決。國外規(guī)范的樓板荷載中還考慮偶然撞擊的影響。作出這些改進其實都容易辦到，因為每平米造價可能增加不了5元錢。 　　前些時候有報紙報道，有些房管部門給住戶發(fā)通知，規(guī)定住戶室內(nèi)荷載不許超過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)計出來的，統(tǒng)計對象中有的就超過標(biāo)準(zhǔn)值，否則就用不到荷載分項系數(shù)。這一房管部門的做法不知出于何種考慮，也給住戶帶來心理壓力。但是這種現(xiàn)象是否從另一個側(cè)面反映了設(shè)計安全度過低所帶來的不必要麻煩。 3、關(guān)于設(shè)計規(guī)范的強制性 　　我國的設(shè)計規(guī)范是強制性的。對于設(shè)計人員來說，規(guī)范就是法律，只要不違反規(guī)范要求，即使設(shè)計出了問題，設(shè)計人就有可能不負(fù)任何法律責(zé)任。而國外發(fā)達國家的許多設(shè)計規(guī)范則是指導(dǎo)推薦性的，設(shè)計出了問題得自己負(fù)責(zé)，休想將責(zé)任推向規(guī)范。所以我國規(guī)范的編制工作有著更高的要求，同時也會遇到一些不好解決的困難。以往的最小配筋率為例，國外規(guī)范中是0.8％～1％，這個數(shù)值作為指導(dǎo)值是比較適宜的，而設(shè)計人員可以根據(jù)具體情況取用更低的配筋率。例如國際知名的芝加哥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低于ACI規(guī)范的最小配筋率，但如換成我國規(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。可是如將柱的最小配筋率定得低了，當(dāng)柱的軸力與承載力相比業(yè)已達到相近的程度，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。又如我國規(guī)范并沒有明文規(guī)定設(shè)計人員不準(zhǔn)采用高于規(guī)范設(shè)定的安全度水平，但在過去計劃經(jīng)濟時代的影響下，缺乏經(jīng)驗的設(shè)計人員有時還是不善于針對具體工程對象的需求和具體的施工環(huán)境條件，必要時加以靈活運用；而與此相反，某些故意鉆規(guī)范空子的人則會沿著規(guī)范允許的最低邊緣路線行事，以達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)范的強制性質(zhì)。強制性規(guī)范還不利于人們發(fā)揮創(chuàng)造性。在今天市場經(jīng)濟體制下，尤其要求設(shè)計人員有更強的創(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。一本比較簡明的規(guī)范，再加上各種各樣正規(guī)的指導(dǎo)性專題技術(shù)文件（指南、建議等）與之配套，對設(shè)什人員來說可能更為好用和更有幫助。不過這又會牽涉到規(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 　1 陳肇元，要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度，建筑結(jié)構(gòu)，1999年第1期 　2 李明順、胡德炘，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度設(shè)定水平的分析與改進意見，1999年7月 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度專題討論會的討論發(fā)言綜述（1999年5月14日）．中國土木工程學(xué)報，待發(fā)表 　(摘自《建筑科學(xué)》第15卷第5期pp23-pp25,1999年10月)