可持續發展理念在鋼筋混凝土結構教學中的滲透實踐

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

摘要：本文闡述了可持續發展工程結構的內涵及在鋼筋混凝土結構教學中引入可持續發展理念的重要性。結合多年的科研工作，將結構設計理論的最新研究成果滲透到鋼筋混凝土結構教學中，通過分析設計可持續發展工程結構的方法和途徑，結構概念及耐久性與可持續發展的關系，逐步培養學生可持續發展工程結構的意識，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構；教學；可持續發展；實踐

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0196-02

進入21世紀，可持續發展觀念開始滲透到社會各個方面，現已成為世界上許多國家的發展戰略。1987年，聯合國首次提出并定義了可持續發展——“既能滿足現代人類要求，又不損害人類后代滿足自身需求能力的發展形式”。

一、可持續發展工程結構內涵

何為可持續發展工程結構？浙江大學金偉良教授等認為[1]：工程結構的完整周期應該包括規劃、設計、施工、運營、老化及廢除各個階段。可持續發展工程結構就是要求結構在設計中涵蓋上述各個環節，并體現生態環境可持續性、經濟發展可持續性和社會文化可持續性。從上述定義表述可以看出，結構設計涵蓋多個環節就是要求設計中不僅應考慮施工完成后的結構狀態，還應考慮到使用及老化等各個階段結構抵御隨機外荷載作用的能力；不僅應考慮到結構一次投資建造的費用，還應考慮到后續維修，加固，改造等的費用，不僅應考慮當前的利益、還應考慮后期的風險。

二、可持續發展理念在鋼筋混凝土結構教學中滲透的重要性

鋼筋混凝土結構是土木工程中常見的結構形式，也是我國基礎設施的主導結構。隨著國民經濟的持續快速發展，土木工程建設的規模不斷擴大，對資源和能源的需求迅速增加，特別是對水泥和鋼材需求增長更為迅速。水泥、鋼材作為鋼筋混凝土結構的主要建筑材料，其生產、建造及使用過程中，一方面不斷消耗自然資源，另一方面對環境施加各種負面影響。如生產水泥所需的石灰石、黏土及用作混凝土集料的砂石開采，會占用耕地，破壞植被；原材料鋼筋、水泥、砂石等的生產、運輸過程需要消耗大量的能源，能源消耗的同時向大氣、土壤和水中排放CO2、粉塵、噪音、廢液及固體廢物等。當對環境的影響超過一定的程度，反過來，環境也會給人類的生活、生產過程帶來嚴重的影響。如大量CO2的排放不僅加劇溫室效應，它還和SO2與NOx一道形成酸雨危害農作物及植被，加速材料和構件性能劣化的速度，縮短結構的使用壽命，造成大量的建筑垃圾等。

三、可持續發展理念在結構設計理論教學中的滲透

結構設計理論是鋼筋混凝土結構構建設計計算的理論基礎，是平衡結構安全與經濟的科學依據，也是能否設計出具有可持續發展工程結構的關鍵所在。目前結構設計理論所采用的基于概率理論的極限狀態設計法（現行設計法），主要以滿足結構承載能力和剛度條件為設計要求，并主要針對施工完成后的結構狀態，對結構性能退化及耐久性等問題未作充分的考慮[2]。按照這樣的理論方法所設計的結構，尤其是一些惡劣環境條件的港口、碼頭、橋梁等結構，經過實踐檢驗發現，許多都出現了使用性能差、耐久性低、服務壽命短等問題。為此，不得不花費巨額資金予以維修、加固甚至拆除重建等。造成不必要的經濟損失及資源浪費，與國家的可持續發展和科學發展觀不符。為了將可持續發展設計的理念傳授給學生，筆者立足于現行結構設計規范和教材，首先對現行設計理論、方法進行深入細致的講解，并分析其存在的問題。在學生掌握了現行設計理論、方法的基礎上，結合自身多年的科研工作及最新研究成果，逐步引入結構可持續發展設計的理念，即結構全壽命設計的理念，讓學生明白結構全壽命設計（可持續發展設計）需要從結構規劃、設計、施工、使用、老化及廢除的各個環節綜合考慮結構的整體性能，才能使其達到最優或優化。然后從結構設計目標、材料性能、經濟指標等多方面對比分析現行結構設計與全壽命設計的區別，如全壽命設計相對于現行結構設計而言，除了需考慮結構的安全、經濟、耐久目標外，還需要考慮用戶的滿意、社會環境及可持續發展的目標等。

四、加強結構概念分析，培養學生可持續發展的工程意識

鋼筋混凝土結構的可持續性涉及結構整個壽命期內消耗的資源以及對環境的影響。因此，在確保結構安全可靠性能的基礎上，提高鋼筋混凝土材料的利用率、減小材料的消耗量，在取得較好的經濟效益的同時也是對生態環境的貢獻。在多年的鋼筋混凝土結構教學中，筆者通過歸納、總結、強化結構概念分析等教學方法，引導學生如何通過提高材料利用率來設計截面型式、結構型式等，以實現可持續發展工程結構的目標。例如，在分析受彎構件截面型式選擇過程中，從材料效用的角度出發引導學生分析，矩形截面梁由于截面存在應變梯度，靠近中性軸的材料應力水平很低，于是將靠近中性軸附近的材料部分去除，就形成了T形、I字形、箱形等截面形式，在不減小構件承載力的情況下，可以增大跨越能力，節省混凝土材料的用量，這樣，學生不僅學會了怎樣去比較截面型式的優劣，也明白了鋼筋混凝土受彎構件通常不會做成圓形截面的道理。

同樣在分析結構形式演變過程中，對于矩形截面梁，因為梁的彎矩沿梁長一般是變化的，這樣對等截面梁來說，大部分區段應力水平均較低。由于梁截面應變梯度的存在，只有當構件是軸心受力時，材料利用率才可能增大，于是產生了拱結構及合理拱軸線的概念，但由于拱結構曲線構造的復雜性，使設計和施工都比較費勁，于是又出現了平面桁架形式。平面桁架可以理解為“淘空”的梁，即將梁中多余材料去除，既經濟，又可降低自重，故桁架的上弦相應于梁的受壓邊，下弦相應于受拉鋼筋。在平面桁架的設計過程中，應努力增加其平面外的剛度提供平面外約束（增加支撐），若將這些平面外的支撐再連接成桁架，就會使平面格架變為平面交叉桁架，最后發展為空間網架。

五、結構耐久性對可持續發展的影響

混凝土結構的耐久性是結構在可能引起其性能變化的各種作用（荷載、環境、材料內部因素等）下，在預計的使用年限和適當的維修條件下，結構能夠長期抵御性能劣化的能力[3]。過去人們一直認為混凝土結構是經久耐用的，然而，近幾十年的工程實踐和研究表明，混凝土結構的耐久性是一個不能忽視的重要內容，耐久性不足將導致結構性能退化，安全可靠性能降低，增加結構使用過程中的維護、維修加固費用及資源和能源的消耗。顯然，結構的耐久性與可持續發展的關系十分密切，如何在傳授課本知識的過程中，引導學生設計耐久、長壽命的混凝土結構，是任課教師面臨的新課題，也是建造可持續發展工程結構的需要。然而，在目前鋼筋混凝土結構教科書和教學內容中，僅個別章節提到了混凝土耐久性的概念，且缺乏細致深入的分析和相關的耐久性設計方法。鑒于此，筆者在鋼筋混凝土結構教學過程中，收集了部分典型耐久性劣化現象的實際工程圖片展示給學生，使學生直觀地感受到耐久性不足對結構造成的嚴重危害以及加強結構耐久性設計的重要性。

六、結語

隨著社會經濟持續快速地發展，人類社會正面臨著資源、能源短缺，生態環境不斷惡化的危機。設計可持續發展工程結構是緩解上述危機的重要途徑。通過分析設計可持續發展工程結構的方法和途徑，結構概念及耐久性與可持續發展的關系，逐步培養學生可持續發展工程結構的意識，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]金偉良，鐘小平.可持續發展工程結構全壽命周期設計理論體系研究[J].中國工程科學，2012，14（3）：100-107.

[2]金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京：科學出版社，2002.

[3]金偉良，鐘小平.結構全壽命的耐久性與安全性、適用性的關系[J].建筑結構學報，2009，30（6）：1-7.