建筑结构安全度设计的思考

张春明

（1、天津市长城建筑设计有限公司，天津300000 2、天津市长城房地产开发有限公司，天津300000）

玉树大地震灾难，众多本不应倒塌的建筑物纷纷坍塌；“5.17”株洲市红旗高架桥特大坍塌事故，造成群死群伤的恶性后果；上海闵行区“莲花河畔景苑”的在建13层住宅楼连根“卧倒”的事件，让数百名房主无家可回；一场大雨让成都市“校园春天”小区6号楼和7号楼斜靠在一起。……在这些灾难发生之后，家园安全、建筑安全问题成了整个中国建筑结构设计时不可回避的大众探讨话题。在讨论中，有些专家提出，要大幅度提高建筑结构设计的安全度，引起一些议论。作为一名结构工程设计师，现将我个人对此问题的一些看法提出来，请专家读者给与指正。

1 现阶段条件下，国家相关的结构设计安全度管理是基本有效的，对不适应发展要求的规范理论仍需要做适当调整。

1.1 关于可靠度设计理论

可靠度理论是分析结构安全性的一种有效手段。我国已颁布统一标准，要求结构设计相应规范按可靠度理论设计。当前建筑结构的设计可靠度标准执行的是《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001），该版本延续了《建筑结构设计统一标准》(GBJ68-84)版本的以概率理论为基础的极限状态设计理念，增加了建筑结构的设计工作状况及结构的设计使用年限等重要内容，同时修订了承载能力极限状态的设计表达式。

该可靠度标准用失效概率度量结构的可靠性，通过将抗力和作用效应相互独立，将随机过程化为随机变量并以经验为校准点，成功地将这一理论用于建筑结构设计规范中，这是我国规范先进性的一种表现。可靠性理论及概率极限状态设计方法将定性的“安全”概念尽可能量化，是结构设计理论的重大进步，并成为国际上的主导潮流。我国在这方面已处于先行地位，理应坚持和发展。

1.2 关于现阶段的规范设置

我国现行的结构设计规范是基于概率分析的极限状态设计方法制定的，规范的安全度设置水准尽管不高，但在全面遵守标准规范有关规定，即在正常设计、正常施工和正常使用的“三正常”条件下，据此建成的上百亿平米的建筑物绝大多数至今仍在安全使用，这表明目前使用的这些规范规定的安全水准仍然适用。

但是理想的“三正常”很难做到，同时为了缩小与先进国际标准的差距以及鉴于可持续发展和提高耐久性的需要，在物质供应条件提高和社会大发展的市场经济条件下，结构的安全设置水准应适当提高。在横向比较与国际发达国家的设计规范标准来看：其一在构件承载能力上，其安全设置水准关系最大的二个因素是：1）规范规定结构需要承受多大的荷载。2)规范规定的荷载分项系数与材料强度分项系数的大小。这两种因素在中国的设计规范和国外发达国家设计规范比较来说，个别数值偏低，造成我国部分结构构件的安全度低。例如：我国规范规定活荷载与恒载的分项系数分别为1.4和1.2，而美国则分别为1.7和1.4，英国1.6和1.4。

其二在结构整体性设计方面。除了结构构件要有足够承载能力外，结构物还要有整体牢固性。结构的整体牢固性是结构出现某处的局部破坏不至于导致大范围连续破坏倒塌的能力，或者说是结构不应出现与其原因不相称的破坏后果。结构的整体牢固性主要依靠结构能有良好的延性和必要的冗余度，用来对付地震、爆炸等灾害荷载或因人为差错导致的灾难后果，可以减轻灾害损失。现行规范忽略了结构的整体性，是以构件的可靠度为目标的结构设计。而构件或截面的可靠，并不一定能保证结构体系的可靠；构件和截面的最优，也不能保证结构体系的最优。因此，在结构设计规范的改进上，应大力重视结构的整体性的目标设计，这样在真正的大灾大难面前，能够做到整体不倒塌，保住人民生命和财产的安全。1978年唐山地震死亡24万，而9年后，当同样大小的7.8级地震袭击智利一个百万人口城市时，当地仅死亡150人，其最主要的原因就在于房屋设计的整体牢固性。因此说增强结构整体牢固性也是减轻台风、洪水乃至恐怖袭击等各种灾害后果的迫切需要。

现行规范安全度与国际相比虽然偏低，但实践已经证明，现行规范安全度是可以接受的，这是重要的经验，不能轻易放弃。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，却对国家总体和长远利益有利。在纵向比较我国这些年的规范调整的过程，我们不难看出，规范也是在不断的提高结构设计的安全度。例如，我国新修订的荷载规范，在不断提高活荷载和恒荷载的数值。不断推出新产品和新材料的技术规程，大力推荐新材料新产品在工程上的应用，如三级钢等材料对于提高结构设计的安全度方面都有很大的作用。

然而，这种提高只能适度，因为我国目前尚属发展中国家。一个国家的规范，不仅仅是技术性的，还有很强的政策性等许多方面，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，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，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。

2 安全度设计方面必须重视结构的耐久性

土建结构工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力。目前对建筑结构的耐久性问题还认识不足，往往是凭经验增加一些构造措施来加以弥补，缺乏在耐久性方面系统的理论研究和完善措施。但是，我国建设部于80年代一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25-30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15-20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30年～40年。

上述问题出现的主要原因其一是我国在耐久性设计方面主要存在标准、规范、规程跟不上的问题，缺乏全面、完善、可靠的措施。规范对耐久性的要求，主要应在构造和材料性能等若干个易于明确表达的几种指标上规定。其二工程施工单位盲目地加快施工进度，尤其是政府行政领导对工程进度的盲目干预行为大大损害了工程耐久性。混凝土的耐久性质量尤其需要足够的施工养护期加以保证，早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。国内媒体上加大宣传的所谓几个月就修成一条大路，建成一座大桥，或盖成一栋高楼的工程及抢工献礼工程，很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。其三使用条件下处于恶劣的环境中。例如社会环境的不断恶化，如废气、酸雨，我国的酸雨面积已超过国土的30%。再例如北方地区冬季融冰雪的盐对于结构的腐蚀作用。盐冻也对混凝土路面造成伤害，东北地区一条高等级公路只经过一个冬天就大面积剥蚀。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用，使用十几年后就出现问题，有的不得不限载、大修或拆除。

结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性，并要对施工单位提出具体施工要求。作为结构设计人员在设计中不能考虑强度多而考虑耐久性少，重视强度极限状态而不重视使用极限状态，重视新建筑的建造而不重视旧建筑的维护。作为设计人员不能只套规范，应该根据不同的设计对象，不同的环境和使用条件，发挥自己的才智和创造性；规范再详细也不能包罗本来应由设计人员自己去解决的各种问题。

3 提高结构安全度的三个关键因素：正常设计、正常施工和正常使用

可靠度理论强调三个正常，即正常设计、正常施工和正常使用，这三个因素之间是相辅相成的，也是保证结构安全性的决定性因素。因此，作为一个优秀的结构设计人员，我们首先要做好正常设计的工作。

建筑结构设计不仅应严格遵守国家有关规范，建筑设计标准的要求，而且诸如结构选型、传力途径、计算简图、配筋原则、构造措施等非计算因素同样影响结构安全度，而且更具根本性。力学概念不清、工程经验缺乏、对计算机的过分依赖等，都可能引起建筑结构的安全性问题。因此，对设计人员进行再教育、再培训和考核工作十分必要，设计单位应严格按照三级较审的审核制度执行。我国规范并没有明文规定设计人员不准采用高于规范设定的安全度水平，但在过去计划经济时代的影响下，缺乏经验的设计人员有时还是不善于针对具体工程对象的需求和具体的施工环境条件，必要时加以灵活运用；而与此相反，某些故意钻规范空子的人则会沿着规范允许的最低边缘路线行事，以达到其不良目的并推卸责任。

关于工程事故与设计安全度的关系，国内专家们一致认为：当前频繁的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所致。在正常设计和正常施工条件下，建筑物的结构安全性还是能够有很大的保证的。例如，50年代的结构设计方法，与现在近似，当时所用的混凝土强度很低，只有110~140号，比现在的C15还低。50年代初期施工手段也很落后，混凝土用体积配合比，人工搅拌，没有振捣器……而当时施工发生安全事故的较少。有一些建筑物，如王府井百货大楼、北京饭店等，使用至今已逾50年，而且经过了唐山地震影响的考验。

我国的每年工程施工量占到世界的50%，每年有超过20多万平方米的在建项目，我国目前的建筑业队伍有3500万人，其中2000万来自农村，这么多项目并不能保证所有施工队伍都具备合格的素质，有的施工人员甚至连沙子与水泥的配比都不知道。因此结构设计人员在确定结构设计安全度时，确实不能不考虑施工队伍平均受教育水平低的现状。此外，野蛮施工也是影响建筑物安全性的重要因素。如上文提到的盲目加快施工进度的做法就是野蛮施工的一个具体表现；其他的表现还有“边勘测、边设计、边施工”这种不科学的“三边”建筑施工方式，有偷工减料的主观利益行为，有政府部门监管不到位的客观问题等等。

其三，为了保证建筑结构安全度，一些工程在建成后应该不但做到合理正确的使用，还应该进行定期检测和维护。首先，建筑结构不同于工厂里面生产出来的产品，每个产品都配备有详细的使用说明书。那么如何合理正确的使用建筑物，这就是目前建筑领域上的一个空白。例如现在的商品房交付使用后，用户在装修过程中，地面的负荷有多大？恐怕没有一个业主能够知道。这就给普通楼板的使用带来隐患，即便是正常设计和正常施工的楼板，心血来潮的业主在普通楼板上增加一个浴盆，也足以使得楼板变形甚至出现危险。此外建筑结构的安全性，与使用阶段的检测、维护和修理不能分割，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。我国有结构工程的设计规范与施工规范，但没有如何使用和维修检测的规范。有些工程倒塌事故，例如最近四川宜宾的南门大桥发生桥面坍落事故，就是因为桥面结构与主拱之间的吊杆在连接处发生锈蚀，如果有定期的检测要求，这样的事故很有可能避免。同样一些发达国家对于结构的损坏可能导致公众安全的建筑物与桥、隧等公共工程，强制规定必须定期检测；即使是建筑物的玻璃幕墙和外墙面砖等建筑部件，因其坠落后容易伤及公众，也有强制定期检测的要求。因此，在正常设计和正常施工条件下，要将结构安全质量事故减少到最低程度，还应以预防为主，通过例行检测及时发现问题，及时整改，确保建筑结构的安全性。

总之，建筑结构的安全度设计应该成为我们设计人员工作中最重要的关注问题，这不但关系到安全与经济的协调、基础设施的投资，而且与国家现行政策、法规以及未来的经济发展息息相关，是一个复杂的系统工程问题。就如上文所述，在国家有关可靠性设计标准的基础上，并且结合建筑结构耐久性方面的研究，适当提高建筑结构设计的安全水准、科学的施工手段和使用条件，就能够使建筑结构具有较好的可靠性和耐久性，更好的适应我国现代化建设的需求，适应经济市场的需求。

[1]略论中国建筑结构的可靠性及改进 汪常松《中国建设信息》2006年1期p35

[2]对混凝土结构设计安全度和规范修订的几点看法 陈肇元《建筑科学》1999年 第15卷第5期p23

[3]谈建筑结构的可靠性研究 邱华生 《广东建材》2007年第6期 p26

[4]我国结构可靠性设计及目标可靠指标的发展现状 陈 艳 刘 宁 杨海霞 胡爱宇《水利水电科技进展》2004年第24卷第4期p61

[5]工程结构可靠度理论的研究现状与展望刘玉彬《大连民族学院学报》2006年第5期(总第34期)p1

[6]关于建筑结构设计与安全度问题的思考龙钜恒《中国新技术新产品精选》2006年第2期 p51