探究结构工程的挑战及发展.doc

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1、探究结构工程的挑战及发展摘要：发展以高安全性能、高使用性能、高施工性能、高环保性能、高维护性能、高耐久性能等为特征的高性能结构工程是我国未来结构工程发展的核心战略，也是实现我国结构工程可持续发展的必由之路。文中分析我国结构工程面临的严峻挑战，提出以高性能结构工程为核心理念的发展战略，具体讨论制约我国高性能结构工程发展的一些主要问题，并从工程建造体系和科技研发体系两个方面提出实现高性能结构工程战略目标的对策建议。关键词：高性能； 结构工程； 土木工程； 可持续发展； 发展战略；1、我国结构工程面临的严峻挑战改革开放以来，我国大规模基础设施建设对结构工程产生巨大需求。随着一大批标志性重大土木工程在

2、我国建成、结构规模以及复杂程度不断刷新，我国结构工程在材料、结构体系、结构设计与分析、以及施工等各个方面的科技水平取得了突飞猛进的发展，达到了前所未有的高度。随着中央城镇化工作会议将新型城镇化建设作为中国未来发展的重要战略，城镇与基础设施建设将成为中国未来经济社会发展的重要引擎，这必将有力推动我国结构工程新一轮的飞速发展，并为我国结构工程学科水平跻身国际前列提供前所未有的契机。然而，我国土木工程建设虽然取得了巨大的成就，但在资源能源消耗、环境保护、使用寿命、安全可靠、抗灾能力等方面仍存在很多亟待解决的迫切问题，已成为我国结构工程领域当前面临的重大挑战。2009年，中国工程院战略咨询项目“土木学

3、科发展现状及前沿发展方向研究”综合报告1 指出：“我国的建筑能耗占国家全部能耗的32%,已经成为国家单项能耗最大的行业；每年我国消耗全球一半的钢铁和水泥用于建筑业，而水泥和钢铁的碳排放量占到总排放量的30%以上；我国大规模的基础设施建设产生了大量的建筑垃圾，我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30%40%”.我国存在大量建筑、桥梁等基础设施远未达到设计使用年限就严重劣化，耐久性堪忧。浙江大学于2004年开展的结构耐久性调查2 表明，我国东南沿海地区兴建的大量公路桥梁存在严重的耐久性问题，兼顾不同的建成年份、结构型式和规模选择的37座代表性桥梁中基本完好的仅2座。我国土木工程事故频发，桥梁垮塌

4、、脚手架坍塌等时有发生，表明安全可靠这一最基本的结构性能要求仍未完全解决。作为世界上自然灾害多发的国家之一，我国面临的灾害风险日趋严重，其中土木工程作为灾害的主要载体，负有难以推卸的责任。结构工程近年来暴露出来的上述种种问题，和当今世界可持续发展（sustainable development）的大潮流是不相称的，不仅难以保持结构工程本身的长期协调发展，而且还将损害子孙后代的长远利益。可持续发展战略是人类社会经历近半个世纪的教训与争论所逐渐形成的共识。1962年，雷切尔卡逊发表寂静的春天3 第一次唤起人类对环境保护的关注。随着1968年罗马俱乐部发表增长的极限3-5 和1987年世界资源与环境

5、委员会发表我们共同的未来3,5-6 ,可持续发展逐渐成为了人类世界发展的新纲领。1992年的联合国大会正式描绘了可持续发展战略的目标蓝图，把“可持续发展”定义为：既符合当代人类的需求，又不致损害后代人满足其需求能力的发展3 .随即1996年国际桥梁与结构工程协会发出了国际工程界的第一声“可持续发展宣言”5 .但是，2002年联合国大会的宣言中却明确指出：“1992年联合国会议所确定的目标没有实现”3 ,并且直到今天，环境污染、资源短缺等问题仍非常严峻，这其中土木工程师责任重大，因为土木工程是对自然界影响最大的一项人类活动。结构工程师创造的每一项土木工程作品究竟会对我们的子孙后代产生怎样的影响，

6、值得我们认真反思。2、我国对高性能结构工程的迫切需求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7 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”（high-per

7、formance structural engineering）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

8、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8 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，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

9、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

10、久”正逐渐成为结构工程非常重要的设计准则。“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；（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

11、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

12、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9 ,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。3、制约我国高性能结构工程发展的主要问

13、题3.1 重建筑、轻结构，重外观、轻功能近年来，我国完成了许多重大土木工程建设，很多项目由于过分注重视觉效果，盲目追求建筑方案的标新立异，产生了一批不合理的结构和奇奇怪怪的建筑。用极高的代价实现这些不合理的建筑，导致资源消耗大、能耗大、使用功能差、抗灾能力弱、施工难度大、工程隐蔽部分质量存疑、安全隐患突出等一系列问题，浪费的是全社会的资源，贻害的是子孙后代。重大土木工程建设影响重大，瞄准社会政治、经济、文化活动的重大需求，建成后对社会长期发展影响深远，必须以“百年大计”、“千秋大业”的高度论证实施。建筑方案是源头，其确定本应慎之又慎，但我国目前的现状是：建筑方案首先确定，结构专业围绕既定的建筑

14、方案转，建筑方案阶段结构论证薄弱，结构专家意见不受重视，建筑方案导致结构不合理，最终的结果必定是高昂的结构代价。近年来饱受争议的是，在北京这样一个高度拥挤的城市，8度设防的区域，全国的政治经济文化中心，竟能允许修建“形体极端古怪并对抗震极其不利的病态建筑”7 ,可见建筑方案的决定全然不顾结构的合理性和可行性，甚至可以说是轻率的，相关法律法规和制度建设是多么薄弱，长此以往中国只能沦为国外建筑师的试验田。将美观放在第一位，将结构性能统统抛在脑后，将土木工程建设作为装点门面的摆设，我国近年来大量兴建的博物馆就是典型一例。北京市政府委托的首都博物馆新馆建设工程后评价报告举例说：有的博物馆建筑成覆斗状或

15、陈列展厅呈扇形，既不利展陈布置，又浪费空间面积；有的博物馆建筑设计不能满足展陈的要求，其主题意境被全部破坏，整体方案失败，结果推倒重来，耗费人力、财力、时间。这些结构，并不满足“高使用性能”的要求，也不满足“适用”的建设方针。3.2 重结构施工图，轻结构方案如果结构方案不合理，施工图做得再精细也于事无补，这就好比要使一个孩子健康成长，首先要做的就是“优生”,如果先天不足后天再怎么弥补可能也是徒劳的。结构方案的确定应当非常慎重，应经过反复推敲和科学论证，尽可能充分考虑可能遇到的各种问题，详细比较不同方案的优劣，一旦结构方案确定，后续的施工图设计就是一些按部就班的细化工作。需要指出的是，合理的建筑方案和结构方案是确保结构“优生”的两大基石，两者缺一不可。应当看到，一些不合理的结构方案并不是由建筑方案引起的，而是结构工程师的疏漏和责任心的缺失所致。某研究报告曾比较过一组跨度在500550m的桥梁结构，由于采用不同的结构方案，用钢量最大达47000t,最小仅为10790t,其中某桥通过对结构方案进行优化，用钢量节省了约50%,结构方案的重要性可见一斑。横跨同一道路的两座大跨人行天桥，由于采用不同的结构方案，截面高度相差31%,总用钢量相差33%,造价相差26%.某跨路口桥梁，原结构方案必须在路中设墩，严重影响桥下交通，后改用组合结构方案，则顺利去掉了这一桥墩。某高