浅谈建筑结构设计的安全性

　　【摘要】建筑结构直接影响建筑物的安全，由于设计或施工等原因，造成建筑物发生质量事故，甚至倒塌，在国内屡有发生。本文在分析我国结构设计安全现状基础上，提出了提高建筑结构设计安全度的有效措施。
　　【关键词】建筑，结构设计，安全性
　　1、建筑结构安全性的含义
　　建筑结构设计的最终目标是实现“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（如：自重、机械设备、家具、人流以及风雪、气温变化等），在特殊情况下（如：地震、火灾、飓风等）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（设计使用年限）。上述安全性、适用性、耐久性是衡量建筑结构是否安全可靠的基本标志，称为建筑结构的安全性。在建筑结构设计中用来度量结构安全性、适用性和耐久性的指标就叫安全度。
　　建筑结构直接影响建筑物的安全，由于设计或施工等原因，造成建筑物发生质量事故，甚至倒塌，在国内屡有发生。现在国家实行工程设计质量终身负责制,有些单位在结构设计中盲目加大结构断面,多放钢筋,提高钢筋混凝土标号,虽然可以避免结构发生问题（在抗震设计中除外），但会造成材料浪费,经济不合理,这不是一个设计人员应该采取的态度。作为一名结构设计人员对每项工程应该即保证安全又达到经济合理,这就需要端正设计思想,努力学习设计理论,还应熟悉和能够处理施工中出现的各种实际问题。
　　2、我国结构设计安全现状分析
　　我国建筑结构的设计方法,经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、极限状态设计法和概率极限状态设计法的重大变化。但在结构设计安全度上一直没有大的变化,与国际通用设计标准相比始终处于低水平。在结构设计标准方面,安全度主要表现为安全系数(容许应力法,破损阶段法)、分项系数(极限状态法)和可靠指标(概率极限状态法);同时还与其它许多因素有关,如结构的构造规定,荷载标准值与材料强度标准值的取值,构件承载力计算公式及结构内力分析的精度等。
　　以混凝土结构为例,比较一下我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)与国外规范在设计安全度上的差别,就可看出其安全度偏低。例如:在构造规定上,我国规范规定柱
　　纵向受力钢筋的最小配筋率为0.6%,从总体上看,我国规范中梁的拉筋和柱压筋的最小配筋率比国外约低50%以上。其它诸如箍筋最小配筋率,箍筋间距,配筋最小直径,混凝土保护层厚度等构造要求也普遍比国外标准所要求的低。在荷载取值上,与国外相比,恒载的标准值相差不大,而活载就有很大的差异。从总体来看,美国的楼层活载标准值竟比我国大50%。这是由于我国历史条件限制,在确定荷载标准时总是力求节约,以符合最低要求为出发点,荷载的差异不仅反映在标准值上,更重要的还体现在荷载设计值上,具体来说反映在荷载分项系数上。以恒载标准值G和活载标准值Q组合后的计值为例:中国的计算式为1.2G+1.4Q,而美国为1.4G+1.7Q,英国为1.4G+1.6Q,即恒载G的分项系数我国约低20%,荷载约低15%~20%,从而设计钢筋混凝土楼盖时,荷载设计值平均比英、美等国家低80%左右。而在材料强度设计值上比英美两国的取值高。混凝土至少要高5%~10%,钢筋至少要高3%~6%。这是因为国外对混凝土现场强度检验的标准比我国严格,所以在材料强度标准值的实际保证率上在我国依然偏低,而我国设计规范规定的材料分项系数又比国外低,因而同样的材料,我国规定的材料设计值偏高,造成结构安全度偏低。另外,在构件承载力计算公式的精确度上,也有一些值得探讨的问题。例如对于斜截面抗剪强度承载力计算公式,在一些情况下安全度不足是众所周知的,与英美等国的规范比较,我国规范给出的抗承载计算值竟高出1倍以上。除了冲切承载力以外,我国规范各种承载力计算公式的安全富余度都比国外差。
　　3、提高建筑结构设计安全度的有效措施
　　3.1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,目前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。
　　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。
　　从提高结构安全度出发,为了改善结构物的安全性,要提倡合理地利用钢材,而不是挖空心思地节约钢材。
　　3.2当前的建筑物安全事故,与结构设计安全度无关。20世纪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。20世纪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45年,而且经过了唐山地震影响的考验。因此可以说,现在的安全事故,与结构设计安全度是没有连带关系的。
　　3.3关于节约钢材的问题：结构设计,仍宜提倡节约。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。如果将构件截面任意加大,材料用量任意增多,这个工作,建筑师也能做。在发达国家,节约材料也是工程师所追求的。1998年美国《商业周刊》登载由美国建筑师学会(AIA)举办的最佳建筑设计竞赛“,节省材料”是该次竞赛的主题之一。纽约时报新印刷厂的设计,因采用规则的矩形平面和常规材料,节约五千万美元而获奖:又如香港中国银行(贝聿铭设计)因其结构方案布置得当,比同样高度的其他结构大量节约钢材,所以若干个杂志上都发表文章加以表扬。
　　3.4规范要根据国家政策而定。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。
　　3.5我国规范中的构造规定,并非都比别国低。我国规范规定的是最低用钢量,设计者一般根据结构重要性,予以适当提高,所以下能以此来判定我们在工程中的材料用量,更不能以我们的最低值来与人家比。我国规范规定的柱纵向钢筋的最小配筋率为0.6%,是不考虑抗地震时的数量,我们大多数城市设计时都考虑抗震,高层建筑更是都要考虑,这时柱子的最小配筋率就是0.6%～1.2%。而且设计单位在设计高层建筑的柱子时,用钢量常比规范要求的要大,因此与国外相比,实际用钢量并不太小。我们有些构造要求,已与国外持平,如剪力墙的最小配筋率为0.25%,与美国相同。至于墙的暗柱配筋量,在许多方面已是世界领先。
　　4、结束语
　　总之,建筑结构设计人员需要重新认识自己工作的重要性,明确自己的责任,提高对结构设计质量安全问题的辨别能力,积累结构设计中出现的问题作为经验,使建筑结构设计工作行业逐步步入正轨,做到建筑物的设计更安全、更合理。
　　参考文献
　　【1】陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].建筑结构,1999（1）.
　　【2】黄兴棣.工程结构可靠性设计[M].北京:人民交通出版社,1989.
　　【3】王兴远.抗震结构的最优设防裂度与可靠度[M].北京:科学出版社,1999.

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