我國模板支架設計理論在踉蹌迂回曲折中緩慢進步

熊耀瑩

一、我國近十年來的腳手與模板支架的成就與問題

1.由于原行業標準《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ 130-2001頒布后在執行過程中事故頻發，成為施工中的老大難問題。為此幾個省市經濟發達的地方都迫不得已建立自己的地方規程。上海的地方規程參考了國外經驗引入誘發荷載的概念，考慮了垂直荷載的1%作為水平附加荷載；又綜合考慮其它動荷載因素又按垂直荷載的2.5%作為水平安全荷載作用于支架。同時把生成的側向水平荷載影響列入對垂直桿件的應力核算中去，這一思維也將為我國的模板支架計算中不可缺失的內容 （盡管在取值上還有待商榷）：側向力的客觀存在必然要影響立桿的受力狀態。但遺憾的是這一重要問題在編寫過程中力學推導出的公式發生不應有的筆誤。在專家評審過程中筆者還向編者提醒，但正式頒布時并未更正，這一不該發生的事令人震驚。而計算公式筆誤使上海規程中誘發荷載的問題也未受到同仁的重視：水平荷載在其它規范中未能廣泛研究和推廣當然還有難以定量的問題。

2.浙江省在編制地方規程時沒有采納上海以模糊數學方法所謂誘發荷載的存在。又由于看不懂上海規程中最重要的理論計算部分錯誤，而自己建立了一個近似計算水平荷載對立桿的影響力的公式。但浙江大學在通過試驗過程發現更為重大的問題，即在原國標規范的支架構造方法上桿件應力計算不僅和支架上部懸挑長度有關，還和步距桿距乃至架子寬度等有關，這也就逐步揭開原國家行業事故潛在的隱性問題：原國家行業標準沒有能考慮的問題。浙江省的貢獻使新頒布的國標《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》提供了重要信息并納入了國家行業標準重要的修定內容。但上海與浙江的地方規程最大的問題是都沒有跳出原國家行業標準的不科學構造方法，并考慮扣件的半剛性的作用，打亂了力學計算的輕便路線：各排桿的剛度不同 （垂直剪刀撐與水平剪刀撐間隔設置）而難以獲得清晰的理論進行在側向力作用下各桿的簡單準確的應力計算，在舍不得拋棄扣件的半剛性的前提下使理論計算陷入復雜的試驗漩渦中難以脫身。

3.江蘇省東南大學在此過程中對扣件的擰緊力矩也做了可貴的試驗，以試驗數據揭示了擰緊力矩對架子的承載能力影響。江蘇在2008年10月9日發布了《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》但江蘇的地方規程也有不可忽視的文字游戲，即在核算架子的穩定性時提出的條件太低：當架子高寬比大于3時應進行穩定性核算，傾覆力矩小于等于穩定力矩。假如兩個力矩相等時架子已處于十分危險的狀態 （這時整個架子的重心移到最邊部的一排桿件上）：沒有能像前兩省市提出具體核算桿件的內力方法 （當然前兩省市的理論計算也難以準確，因各排桿件剛度各不相同，但努力的大方向比江蘇更勝一籌）。這一問題在該規程升級成為國家行業標準時也未能解決。其根本原因是沒有掙脫原國家行業標準的構造措施。在歷史上世界結構工程師對屋架或桁架進行內力分析總是把全剛性的節點簡化為鉸來計算，直至今日。這一理論計算法是否精確也曾經過論證：是可行的。否則結構設計工程師就寸步難行 （在沒有電腦和有限元計算理論的歷史上德國曾懸賞以趙靜定方法解求屋架桿件應力的精確應力計算結果。有一位研究生獲獎并實踐進行過按全剛性節點進行計算與簡化計算方法對比是可行的）。

4.西安建筑科技大學胡長明教授為冶金部門花千萬元做了大量試驗，但還難以找到合理的計算理論模型。但他的試驗揭示了更多的問題：由于剪刀撐的間隔設置使各不同部位的桿件受力復雜化 （如角桿、邊桿、中間桿和靠近剪刀撐部位的桿件承載力測試結果相差很大）這也為其它規范在編制過程中起到進一步的警示作用。

5.2009年7月1日國家行業標準《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ166-2008發布。這一規范的發布標志我國腳手計算理論有了新的突破和改觀：拋棄了半剛性理論和不均勻加固的水平與垂直剪刀撐的方法，以結束桿件應力雜亂無章的難以掌控的狀態：假設扣件為鉸；以幾何不變體系來設定斜桿的布置，并可獲得清晰的按靜定結構設計的力學計算模型。然而這一理論體系的革新過程是十分艱苦的：在編寫組內部統一思想就很困難，人們說什么幾何不變體系在大學課堂上只學過平面幾何不變體系，而腳手架是空間體系，特別是具體執筆者知道這增加了編寫的難度，不想創新還沿著老路走，畢竟經過激烈的交鋒還是統一了思想，建立了以幾何不變體系方法來建立我國模板支架設計理論：忽視扣件的半剛性作用。其實任何理論都應該順應自然的法則，并不取決于我們主觀的思維。稿成后編寫組在香山會議上又遭到外部專家帶著某上峰的觀點意外的無情的圍堵：堅決反對忽視扣件的半剛性的作用。其充分理由是腳手是臨時構筑物，不考慮扣件的半剛性是一種浪費。這一協調過程更為艱巨，結果意見始終未能統一，此后因我國腳手架發生連續重大傷亡事故 （如北京西四工程），其圍堵 ‘幾何不變鉸接理論計算體系’的聲音才銷聲斂跡。

現在回顧碗扣式國家行業標準規范的問世為我國腳手架理論上進步的曙光，也還是有許多粗糙和不完善之處：如腳手架部分就有幾種幾何不變構造形式未能分別說清，空間幾何不變體系概念不清所致；有些部分還留著過去理論的陰影，如懸挑件部分的計算；在架子整體內力計算上也缺少方法指導：當每步架縱橫至少有一個斜桿即可形成幾何不變體系，假如我們使用了兩根以上斜桿就形成造靜定結構體系，計算還是很繁。其簡化計算內力方法也應向讀者指示——可將水平分力平均作用到斜桿上，因各斜桿剛度相等；幾何不變理論體系隨著計算理論的深入發展，必然還涉及到更多的問題，如何更合理科學地設置斜桿，使立桿不至于應力集中也是不可回避的問題之一。這也因為編寫人員因經費問題很分散，意見集中僅主要依靠書面進行，真正集中碰頭見面的機會太少，一大堆問題出現又因為時間上參與主編企業單位要趕快出版，這就形成了粗制濫造。

6.2011年1月28日中華人民共和國行業標準《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011在一片非議中頒布并將在12月1日實施。客觀評價新規范的頒布相比與JGJ130-2001來說不能說沒有進步，特別是試驗內容上有一些突破和進步:在計算內容上提供了新的（原老規范沒有涉及的計算因素）影響腳手架承載力的因素，而這些因素正是原規范的肇事陷阱。但新的行業標準最大的問題是保留了原來的構造方法，找不到理論的歸宿，一味走老路通過試驗來決定計算系數而步入死胡同。對此我們不得不進行科學方法與哲學思想的討論。

二、關于科學方法問題：哲學思想的偏見

實踐在檢驗真理的過程中起了很大作用，唯物主義者認為物質第一性，是認識世界的第一知識都是正確的，但并不存在唯一性，更不存在絕對性。我們不要忘記實踐是離不開人參加的，人所有的感官 （視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺）都是不絕對可靠與完善的 （客觀信息被刪去很多）：只能感覺到局部——局限性，局限性不僅因人的感官造成，而且也會因人的試驗能力是有限的；客觀事物還有表面性也會欺騙人們對科學真理的誤判 （如地心說就是一個眾所周知的在實踐中憑人的主觀判斷而發生的重大科學誤判事件，當然我們還有更多的論證來說明這實踐過程表面性的例子），實踐的表面性使人們在認識客觀事物上產生主觀錯誤的判斷：人們在實踐過程中產生主客觀雙重性。人對客觀事物的實踐有主客觀雙重性的客觀存在性不僅為一般人所忽視，甚至為一些大哲學家所忽視。人在實踐檢驗真理的過程中想走實踐的獨木橋是走不通的，總是離不開人類所掌握的大量理論知識來共同對真理的檢驗：人和動物的根本區別。所謂 “真理是檢驗真理的唯一標準’是所有科學工作者不容忽視的偏見。我國有位哲學家在中央臺訪談中只敢承認 “實踐是檢驗真理的唯一性”而不敢承認“實踐是檢驗真理的絕對性”（《光明日報》1978.5.11曾經在特約評論員署名的 “實踐是檢驗真理的唯一標準”文章內容中報刊編輯又加上了 “絕對的”用詞）其實絕對與唯一兩詞并無很大距離，我國哲學界已經把 “實踐是檢驗真理的唯一標準”而成為一個鐵的真理。誠然《光明日報》的該文章使我國快速進入改革的大道，功不可沒 （回避了與教條主義的糾結）。實踐失去與理論的統一 （實踐的表面性也需要經得起理論的判別）就可能形成經驗主義；理論失去實踐的經驗就可能形成教條主義。人類認識客觀真理的過程總是實踐與理論緊緊相結合的過程。 “實踐是檢驗真理的唯一標準”的偏見也將影響我國改革的可持續發展。實踐過程中的局限性與表面性是每個科學工作者所不容忽視的問題。特約評論員文章中所說 “理論”不能證明 “理論”的論點也是不成立的：科學家在理論的進程中從來沒有用同一理論互相證明的例子。特約評論員把彼此不同內涵的彼此 “理論”混為一談，是有邏輯上偷換概念之嫌。可惜本文不可能與哲學家、特約評論員來很詳細討論這一問題，我有興趣以后有機會再專題深入討論。

我們現在還是就有關模板支架的具體技術問題來討論。從一開始國家行業標準《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2001對模板支架的構造采取水平與垂直剪刀撐不均勻間隔加固方法，這一舉措迫使規范走試驗的道路來決定計算系數方法，而難以以基礎理論來左右形勢。為此建筑科學院的研究人員與哈工大教授因試驗理論方法不同而導致試驗數據不同 （其實兩種方法并無本質的差別），雙方各執一詞而規范 “難產”——上世紀八十年代初規范立項，直至21世紀初才遲遲統一意見發布。但還是猶抱琵琶半遮面，許多問題并沒有充分揭示。結果從規范出版后每年安全事故層出不窮僅次于我國煤礦安全事故的發生。由于理論基礎不牢許多影響模板支架的安全因素也難以顯露。通過10年來各學術團體不斷探索試驗了解更多的影響腳手架承載力的因素（n）：扣件擰緊力度（扭矩）、架子寬度、高度、高寬比、步距、縱向桿距、橫向桿距、水平剪刀撐、垂直剪刀撐、立桿上端懸挑高度、水平約束等因素，在《建筑施工扣件鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2001中僅介入了個別的因素去影響腳手的試驗計算程序。如水平約束、剪刀撐、支撐懸挑高度。而漏掉許多當時還未察覺的影響腳手架承載力的因素，而這些漏洞正是安全事故的陷阱。新規范JGJ130-2011的編者僅選取了剪刀撐（不加型、普通型、加強型三個工況）、立桿間距（縱橫桿距相同六個不同工況）、步距 （五個工況）、高寬比 （僅一或兩個工況介入，不大于2或2.5）、最少跨數（僅兩個或三個工況介入4、5或8）、上端懸挑高度（兩個工況a=0.5m與a==0.2m）等六個影響因素 （n=6,扣件扭矩和中間約束等未納入，桿距縱橫選取相同值）進入試驗程序。而工況介入試驗的選擇就更少。在附表錄C‘滿堂腳手架與滿堂支撐架立桿計算長度系數μ中：表C-1至表C-5列出μ值126個，按照有限的工況和不完整的影響因素應做196次試驗，而表中空格數卻有76個。我能了解編者的苦衷，僅能使用有限的工況數 （X）和有限的影響因素 （n）來介入試驗計算程序:如果填滿空格的數據可能還要多花費幾百萬試驗費，因而可做可不做的試驗只能減免；委屈讀者空格處不做選項。但假如讀者遇到高寬比為2以下時沒有意見 （僅有點浪費）；高寬比為3時讀者又何去何從呢：人們在規范上就找不到答案，計算就無法繼續進行。新規范還是沒有把已知的影響因素全部納入試驗研究的對象。那么我們要進行多少次有效的試驗才能滿足施工的要求？這也是我們不能回避和重視的研究的關鍵問題。在新規范JGJ130-2011版本中正如規范附錄C表編者把影響因素壓縮到五個n=5(立桿間距、高寬比、步距、最少跨數、上端懸挑高度a);工況（X）也進行壓縮:立桿間距為x=4或6、高寬比X=1或2、步距X=4或5、最少跨數X=2或3、懸挑高度X=0或2。就這樣根據不完整的影響因素與極少的變化的幾個工況的組合按編者的意圖附錄C表應做196次試驗求出196項系數 （μ）而在C表中僅做121次試驗：缺項77次。要填補這些空項還須數百萬元，編寫組已難以承受經濟壓力。但讀者就苦了，無所適從。

我們如果設想把影響因素和工況變化的數字再提高以適應更廣泛的使用實際價值以消除事故的陷阱，我們們必須研究要做多少試驗。如果把工況變化次數X=5并不算高；我們再把已知的影響因素定為n=10或8。要做多少次試驗 （Y）？這不得不以數學邏輯方法求得這一計算式：Y=Xn。我們僅設X=5,n=10則Y=97655625次。也就是說我們要做近100萬次試驗。如果降低標準：設n=8、X＝5時：Y=Xn=78125次，這不僅花費數萬億或數十億元經費，而一個人的一生也不可能完成這一實踐 （一個人的一生有效工作日還不足1.5萬天），當然這經濟費用也是我國任何企業不可能承受的。單純以實踐來檢驗真理是行不通的：實踐在檢驗真理時必需與理論統一并緊緊相結合才能事半功倍。科學發展觀才是可持續發展之路。

新規范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130－2011在發布前我也從編者網上發給我的文件里看到，并與主要編寫人劉群同志講過我的意見還是盡快爭取發布。我之所以這樣想是因為扣件腳手架新規范時間與經費上不可能再以其它理論體系來轉向。新規范雖然有不盡如人意之處 （包涵許多問題與漏洞），但通過新規范編寫組現有的大量試驗也揭示了前規范所沒有能發現的重大問題，故新規范再遲遲不發表全國讀者也等不及，但讀者使用新規范時未列入試驗承載力影響因素的幾個方面 （如水平約束、縱橫桿距不同、扣件擰緊力矩、乃至剪刀撐上用多少扣件都應認真對待）和表上未列項或空白處要特別注意。又訊中國建筑工程總公司已著手在按鉸接幾何不變體系模板支架的安全技術標準規范的編制已進入試驗過程中；新規范JGJ130-2011對模板支架的指導作用僅是過渡時期的事。

三、宏觀管理問題

在改革開放的過程中建設部規定凡特級施工單位必需主編國家行業標準規范的硬指標，這一要求旨在提高施工單位技術水平。這一規定使我國的規范標準有了空前數量的提高，編制經費也獲得前所未有的改善。企業愿意花幾十萬或數百萬甚至千萬來投資，原來部里給每項規范的科研經費僅五萬至幾十萬。我國前所未有的規范數量也成躍進的姿態猛增，千家萬戶在編規范，而各企業高端科研人員增加的速度就達不到這個要求，在企業資格審查時間并不以編制進度為標準，而是以年度審查時間為標準，企業就把編制進度放在首位：資質是企業的生命，而編制質量就顧不上許多。由于施工企業時間緊迫，催逼規范審批的壓力下，規范審核過程也就很匆忙。

對此我們呼吁不是誰有錢誰就有資格來主編修訂國家技術法規，這是技術進步的假象，當前企業以重金來購買規范主編權的現象應予制止，否則對規范的長期管理也帶來無窮的后患；而真正參編的主要科技人員也應相對穩定，年紀大的應有接班人，部里不僅要抓規范的出版還應重視規范的長期管理的戰略措施。

四、模板支架設計理論進步與構造方法的改進迫在眉睫

在碗扣式腳手架施工規范編制過程中我們曾批判了傳統的扣件鋼管腳手架的構造方法：不均勻剪刀撐加固法而導致難以以理論來系統處理腳手架的理論計算陷入“實踐是檢驗真理唯一標準”的怪圈中。一旦使用鉸接幾何不變理論構造措施：忽視扣件的半剛性作用我們可以避開許多附加系數的糾纏和以理論來取代無休止的試驗。正像人們一直忽視鋼屋架節點的全剛性而順利的解出桿件應力。使用幾何不變體系理論與構造方法還可以順利落實在側向荷載作用下在理論上求解出對立桿的影響計算成為現實：以結束模板支架計算方法的模糊性。如前文所敘碗扣式規范的問世也還是有許多不健全之處，需要進一步完善，但其理論的戰略大方向是正確的。如何保證幾何不變理論體系的計算可靠性在細小零件上也應予以認真重視否則功虧一簣。在幾何不變理論體系中斜桿對架子幾何不變起關鍵作用斜桿所使用的萬向鑄鐵扣件不應再使用：誤差太大。我國已發明了先進的萬向扣件可以取代現有的鑄鐵萬向扣件。

我國生產了許多鍛鋼扣件性能很好，可是國內無人問津，全部出口甚至供不應求也是極不正常現象。

從新規范中試驗說明中了解到架體整體失穩的波形中上部大于下部的信息，這說明上部直接承壓端部引起很大的偏心力矩。這就意味著必須改善立桿承壓端部的構造。可調托撐上的托板不能與托撐焊牢：應加球面座以消除偏心矩。（假如鋼管直接支撐模板，鋼管端部不能達到絕對與模板全部吻合，其偏心距離最大也就是鋼管的半徑，鋼管邊緣直接承受壓力），而承托板與可調撐焊牢則將引起較大的壓力偏心距離而引起較大的偏心力矩 （因托板的尺寸較鋼管的直徑大很多）。改進懸挑桿件端部的構造會使架子的承載力增加。與此同時懸挑桿件的根部或上部采取加固措施，使其偏心力矩不至影響到下部步高桿件的計算長度。（參見碗扣式架子試驗報告）

加強對上海地方規程中提出的誘發荷載的研究 （國外同仁對此問題也引起高度重視）；分靜載與動載兩個部分。這一課題并沒有在其它規范中引起重視，但側向荷載是客觀存在的，容不得我們不予理睬。

人們忽視動荷載這一現象是由于把動荷載引入難以定量而未能引入，上海提出的誘發荷載計算方法還沒有得到業內同仁認可而擱置。但動荷載部分還有風荷載勉強有荷載規范對模板支架結構形式近視計算，但澆搗過程中砼輸送泵的富裕能量的 （輸送機的能量設置總是大于可輸送的高度和路線長度）連續作用在澆搗的樓面上的動力效應的積累 （振動效應）的研究還是一個計算難題，現在我們希望在設定輸送機能量的設置不要過于富裕來減輕動力效應。這就理應把砼布料機的計算也應納入模板支架設計內容的計算日程。

靜荷載相對來說較容易解決，如搭設誤差荷載容易定量。另一方面我們也應進行扣件在砼澆搗前后的擰緊力矩的變化測試研究，因為有些工程坍塌是在砼澆搗結束后發生 （從廣西質檢總站曾提供的錄像資料）。與此同時應進行模板支架澆搗前后的變形研究。

在構造上我們可以將上部頂層加水平剪刀撐以大大分散動力荷載分散對局部的強力作用。頂層上部水平支撐的作用不可小視。

結語：模板支架規范已跨過世紀一直困惑我們。我在《中國建設報》也曾發文呼吁 “以基礎理論來支牢模架”。在國家經濟大好的形勢下，實踐與理論緊緊結合起來，未來還是光明的：既重視理論宏觀的把握又重視及細小的零件問題，模板支架安全的灰色時代將一去不復返。

[1]熊耀瑩.模板支架應用基礎理論支牢. 《中國建設報》建筑科技第三版,2007.1.27.