面对我国结构工程领域的重大挑战,需要从源头上变革结构工程的发展模式。“性能”(performance)是结构工程核心价值的体现,结构工程从业人员(包括科技工作者)应当不断追求结构工程性能的提升,并以此作为他们职业发展的目标和判断作品优劣的依据。结构工程师应当以追求结构性能的提升为己任,而不应以满足规范要求为目标。正如2009年陈肇元院士所指出,我国长期采用的基于规范的指令式或处方式的简单粗放设计模式,使结构工程师逐渐迷失了“性能”这一结构工程的根本目标。因此,在当前形势下,大力呼吁回归结构工程的本质,将“高性能结构工程”放在结构工程未来发展的战略高度上,极为迫切和必要。
“高性能结构工程”的内涵需要随着时代的发展不断拓展。过去,结构工程的“性能”主要指安全性能,尤其关注构件的安全性能。当然,保证结构的安全是结构设计最基本的要求,但仅仅满足这一要求难以实现可持续发展的目标。“高性能结构工程”应当包含“高安全性能、高使用性能、高经济性能、高施工性能、高环保性能、高维护性能、高耐久性能、高抗灾性能”等一系列丰富的内涵,一项结构工程虽然很难在上述各个方面同时达到高性能,但应力争达到综合高性能,此外还应从规划、设计、施工、运营、维护直至拆除整个生命周期内努力实现结构的高性能。
实现“高性能结构工程”,必须坚持“安全、适用、经济、耐久、美观”的建设方针。早在1956年,国务院常务会议通过的《国务院关于加强设计工作的决定》首次提出了我国建设方针:“在民用建筑设计中,必须全面掌握适用、经济,在可能条件下注意美观的原则。”到20 世纪90年代,我国的建设方针修改为“安全、适用、经济、美观”,进入21 世纪后,随着结构工程的耐久性问题得到越来越多的关注,建设方针又进一步修改为“安全、适用、经济、耐久、美观”。从建设方针的变迁可以清楚地看到结构工程的发展趋势。首先,无论哪个时期,对“适用”的要求始终没有改变,因为建造土木工程的核心目的不是用来观赏,而是要被人使用、为人服务,实现预期的功能。其次,安全和省钱是结构工程师最重要的职责,而结构安全又是重中之重,关系人民生命财产安全。结构工程师应当在保证结构安全的前提下努力降低造价,提高结构设计的经济性。许多时候,安全和经济并不是不可调和的矛盾,不合理的结构方案可能会导致“花钱买不安全”,而合理的结构方案往往能做到安全与省钱双赢。再次,无论哪个时期,美观总是放在最后。土木工程作为人类生存环境的一部分,自然需要视觉外观上的和谐,但过分追求美观,甚至不惜以牺牲安全、适用、经济、耐久为代价追求视觉冲击,就是舍本逐末、华而不实。最后,土木工程是百年大计,因耐久性问题导致过早拆除和重建,将极大地浪费资源、破坏环境,因此“耐久”正逐渐成为结构工程非常重要的设计准则。
(一)“高性能结构工程”具体表现为:
(1)方案合理——包括建筑方案和结构方案,确保土木工程的“优生”;
(2)分析计算准确——分析计算模型能准确反映实际结构的受力特征,为精细化设计提供依据;
(3)受力性能好——避免裂缝、裂纹、失稳以及脆性破坏;(www.daowen.com)
(4)材料利用率高——充分发挥不同材料的各自优势,扬长避短,促进节约资源、节能环保;
(5)整体牢固性好——通过合理的构造措施防止倾覆、倒塌和脱落,是结构工程减灾的核心策略;
(6)自重轻——除少数需要增强抗倾覆能力或减轻振动的场合,减轻自重有利于减少下部结构造价,提升结构跨越能力,减小地震作用,提升结构抗震性能;
(7)构造简单,施工方便——倡导复杂问题简单化,有利于确保工程质量,降低劳动强度,减少用工数量;
(8)全寿命费用低——实现绿色、低碳、可持续要求。
“高性能结构工程”并不针对某种特定的结构形式,而是倡导用“性能”来衡量结构工程的优劣。对于任何结构形式,都应采取包容的态度,不应轻易否定某种结构形式,更不应过度夸大某种结构形式的优势,应当在搞清每种结构形式各自优缺点和适用范围的前提下,根据不同的设计条件以及对结构性能的需求选择最恰当的结构形式。事实上,没有最好的结构,只有合适的结构,只要满足基本设计原则、符合高性能结构工程特征的结构就是合适的结构。譬如,距今已有1400 多年历史的赵州桥,充分发挥了石材抗压性能好的优势,在漫长的岁月中,经过无数次洪水冲击、风吹雨打、冰雪风霜的侵蚀和8 次地震的考验,却仍然挺立在清水河上,虽然跨度仅37m,但它无疑是高性能结构的杰出代表。相反,有些标榜采用“现代技术”建造的桥梁,虽然跨度很大,规模很大,但通车不过几年就出现各种病害,有的甚至出现桥面垮塌、缆索断裂等恶性事故,这样的结构难以称得上高性能结构。高性能结构的对象不仅包括大型复杂土木工程,而且还应包括量大面广的土木工程,如学校建筑、医院建筑、商业建筑、住宅建筑、中小跨径桥梁等,我们不能因关注重大土木工程而忽视惠及民生的一般土木工程,不能顾此失彼,所有土木工程结构都应以高性能作为发展目标。
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