淺談工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的完善與改進(jìn)

張 征,吳瓊超

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300)

1 引言

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系非常重要,不僅會直接決定施工成效,還將影響施工和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計包括方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段。在方案設(shè)計階段,引入概念設(shè)計,將結(jié)構(gòu)的頻率和振型作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念設(shè)計指標(biāo),進(jìn)而選擇出性能更加優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段,進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計布置和保證設(shè)計質(zhì)量。本文針對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不同階段的現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的意見和建議,以期為完善和改進(jìn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系提供一些參考和依據(jù)。

2 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

2.1 方案設(shè)計階段

在方案設(shè)計階段,設(shè)計人員通常只注重單一評價指標(biāo),而忽略其他評價指標(biāo)的影響。例如,以工程造價作為不同方案的比選標(biāo)準(zhǔn),這將降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求和增大其造成的生態(tài)破壞影響。節(jié)約經(jīng)濟(jì)原則固然是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則,但并非首要原則。一味壓縮工程成本,使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足最低質(zhì)量要求,成為了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中一種亂象。這樣設(shè)計出的結(jié)構(gòu)僅僅滿足基本的使用功能,且后期的養(yǎng)護(hù)修復(fù)費用較大,潛在的安全隱患較大,在遇到突發(fā)事件或自然災(zāi)害情況時,沒有足夠的安全儲備,造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如重慶綦江彩虹橋事件,在橋梁設(shè)計初期即以工程造價來確定橋梁方案,使得整個橋梁的經(jīng)濟(jì)成本被壓縮。由于工程造價的限制,施工階段出現(xiàn)了相應(yīng)的偷工減料行為,從而引發(fā)了重大事故。數(shù)十名過橋者經(jīng)過彩虹橋時,橋梁突然整體垮塌,過橋者隨大橋墜入橋下,導(dǎo)致了人員傷亡,同時引起了極大的社會影響,這次事故共造成18名武警戰(zhàn)士和22名群眾的死亡,造成了慘痛的教訓(xùn)。因此,在方案設(shè)計階段確定出正確合理的方案,是整體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的前提。

2.2 初步設(shè)計階段

在初步設(shè)計階段,設(shè)計人員需要完成工程結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計布置,是之后具體施工圖設(shè)計和工程施工的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前設(shè)計人員為了縮短設(shè)計周期,常常采用套圖設(shè)計,直接套用之前相似設(shè)計中的部分設(shè)計圖,而未進(jìn)行適用性分析,這必然使得整個設(shè)計存在缺陷。在工程結(jié)構(gòu)建成之后,再對其進(jìn)行設(shè)計加固,將大大增加了經(jīng)濟(jì)成本。如天津開發(fā)區(qū)泰達(dá)大街京山橋,在初步設(shè)計階段未能進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計,橋墩采用獨柱墩進(jìn)行設(shè)計,使得京山橋的安全穩(wěn)定性受到影響。在京山橋?qū)崿F(xiàn)通車之后,政府發(fā)現(xiàn)了設(shè)計缺陷,進(jìn)行了雙柱加固處理,不僅增加了工程經(jīng)濟(jì)成本,同時對當(dāng)?shù)亟煌ㄔ斐闪擞绊?更對人們對橋梁的安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑,造成了社會不良影響。

2.3 施工圖設(shè)計階段

施工圖設(shè)計階段是整個工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的最后質(zhì)量關(guān)卡,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全驗算、關(guān)鍵部位的構(gòu)造設(shè)計布置等。在施工圖設(shè)計階段,設(shè)計人員需要對設(shè)計圖中的每個部位進(jìn)行嚴(yán)格驗算,并查驗其設(shè)計是否遵循相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),而目前還存在因設(shè)計人員疏忽大意,或心存僥幸心理,使得整個設(shè)計中存在部分不合規(guī)范要求的薄弱環(huán)節(jié)。一旦薄弱環(huán)節(jié)遭到破壞,會引發(fā)相鄰結(jié)構(gòu)部位的破壞,進(jìn)而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。如哈爾濱陽明灘大橋事故,在施工圖設(shè)計階段中蓋梁設(shè)計存在局部承壓和抗剪能力的問題,在一般荷載情況下,蓋梁不會發(fā)生受力破壞。但在事故當(dāng)天,幾輛大型運送石灰的貨車排列行駛在大橋上,形成單側(cè)連續(xù)荷載,造成蓋梁發(fā)生壓剪破壞,進(jìn)而引發(fā)橋墩傾覆,造成3人死亡,5人受傷。

3 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的完善與改進(jìn)

3.1 引入概念設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案比選階段,引入結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計思想。由于方案設(shè)計階段不涉及荷載分析,因此從結(jié)構(gòu)的整體剛度分布和局部剛度分布情況出發(fā),在生態(tài)影響、經(jīng)濟(jì)成本、施工難度等方面相近情況下,優(yōu)選選擇結(jié)構(gòu)剛度性能優(yōu)越的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

頻率作為結(jié)構(gòu)整體剛度的表征指標(biāo),可通過結(jié)構(gòu)頻率的大小來衡量結(jié)構(gòu)的整體剛度性能。以底部固接的桁架結(jié)構(gòu)為例,在保證桿件數(shù)量一定的前提下,改變桿件的受力位置,可實現(xiàn)改變桁架結(jié)構(gòu)的頻率,即桁架結(jié)構(gòu)的整體剛度分布。由對比可知,在桿件數(shù)量相同即經(jīng)濟(jì)成本相同時,采用斜桿均勻布置的底部固接桁架基本頻率更高,其抗側(cè)向變形能力更強(qiáng),也表明其具有較好的抗震性能。

振型作為結(jié)構(gòu)相對剛度的指標(biāo),是結(jié)構(gòu)的固有屬性,結(jié)構(gòu)的振型特征將表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)任意荷載作用下的受力變形中。振型的特點是在沒有受力荷載,僅知道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度情況下,即可計算出結(jié)構(gòu)振型。通常情況下,框架結(jié)構(gòu)在地震作用下表現(xiàn)為典型的扭轉(zhuǎn)破壞,原因在于其結(jié)構(gòu)振型存在扭轉(zhuǎn)振型。框架結(jié)構(gòu)模型的第三階振型一般為扭轉(zhuǎn)振型,振型特征與框架結(jié)構(gòu)的破壞特征相一致。工程結(jié)構(gòu)都具有拉壓振型、彎曲振型等優(yōu)良振型,將保證結(jié)構(gòu)具有良好的變形性能。因此,利用振型的優(yōu)劣即可對工程結(jié)構(gòu)的變形性能進(jìn)行初步地評價。

綜上,針對結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計階段,引入概念設(shè)計,將結(jié)構(gòu)的頻率和振型作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念設(shè)計指標(biāo),進(jìn)而選擇出性能更加優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3.2 完善結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系

針對當(dāng)前的方案評價體系中注重單項指標(biāo)的現(xiàn)狀,應(yīng)試圖建立完善的評價體系,進(jìn)而選擇出更加適合實際情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。本文嘗試采用構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)量化評價結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不能以單一指標(biāo)作為評價指標(biāo),需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo),包括生態(tài)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、美觀指標(biāo)等。這就表明,結(jié)構(gòu)設(shè)計體系合理評價的前提在于目標(biāo)函數(shù)的確定。利用專家打分制確定各個指標(biāo)的量化,依據(jù)層次分析法確定最終的目標(biāo)函數(shù),從而得到更加科學(xué)合理的評價體系。

在確定目標(biāo)函數(shù)之后,需要進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)設(shè)計評價數(shù)學(xué)模型中的約束條件,質(zhì)量安全作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一準(zhǔn)則和底線,須作為整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中的硬性約束條件。由此構(gòu)建出了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案評價體系的數(shù)學(xué)模型。以斜桿支撐的框架結(jié)構(gòu)為例,以結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟(jì)成本為評價指標(biāo),通過改變斜支撐的位置來改變結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)能力,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的水平抗震性能；通過控制斜支撐的數(shù)量,進(jìn)而影響整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)成本。由此,以結(jié)構(gòu)的質(zhì)量滿足規(guī)范要求最為數(shù)學(xué)模型的約束條件,通過求解數(shù)學(xué)模型,即可確定斜支撐的數(shù)量和位置,選擇出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

綜上,依據(jù)科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型,構(gòu)建了一套更加完善的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系,從而確定出更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3.3 注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的實用創(chuàng)新

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新是一種實用創(chuàng)新,是以“更好地為人們生活服務(wù)”為第一準(zhǔn)則的,而不能是盲目地創(chuàng)新。為了所謂的政績和虛名,浪費人力和物力,是毫無實際意義的。

中國現(xiàn)在還遠(yuǎn)未達(dá)到懸索橋最大跨徑的極限,不能為了創(chuàng)造紀(jì)錄而不考慮經(jīng)濟(jì)因素。在武漢長江大橋上游和白沙洲大橋之間建立的楊泗港大橋,與相鄰的武漢一橋的跨度極不協(xié)調(diào)。為了追求大跨徑,楊泗港大橋采用一跨過江,設(shè)置為1700m的懸索橋,僅僅為了追求跨度創(chuàng)新,大大增加了經(jīng)濟(jì)成本。若將其設(shè)置為2×600m的三塔斜拉橋讓上下行船只分孔通航,就會更經(jīng)濟(jì)合理,也更美觀。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計作為實用性極強(qiáng)的行業(yè),其目的是為了設(shè)計出滿足人們需求的結(jié)構(gòu),而不是為了所謂的虛名,浪費人們的物力和財力,工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的實用性創(chuàng)新將是未來結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的主流方向。設(shè)計人員不能因為近期國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展而使得創(chuàng)新方形進(jìn)入誤區(qū),需將創(chuàng)新更多地投入到工程結(jié)構(gòu)實踐中。

3.4 嚴(yán)謹(jǐn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的審查制度

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的審查是保證工程結(jié)構(gòu)設(shè)計合理和質(zhì)量安全的最后環(huán)節(jié),也是最為重要的環(huán)節(jié)。在初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段,設(shè)計人員難免會存在疏忽,造成工程質(zhì)量存在隱患。審查制度的完善和嚴(yán)謹(jǐn)并不意味著增設(shè)更多的審查門檻,設(shè)置過多的審查門檻將會導(dǎo)致設(shè)計進(jìn)度的滯后,同時對結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全保證并沒有顯著的提高,且增加了更多的人力和物力成本。如何把控結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要節(jié)點才是審查制度的重點,對關(guān)鍵節(jié)點增設(shè)專門的復(fù)查制度,并設(shè)置相互獨立的渠道按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行驗收,從而把控整個結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的安全性。

因此,嚴(yán)謹(jǐn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的審查制度是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系完善中不可缺失的重要環(huán)節(jié)。隨著工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷發(fā)展,審查制度亦將隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展而不斷完善,從而進(jìn)一步保證工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的合理性和安全性。

4 結(jié)論

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的完善和改進(jìn)是推動工程結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動力,其重要性日益增加。本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計各個階段進(jìn)行了詳細(xì)分析,針對當(dāng)前的問題和不足,引入結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計,以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計初選階段的不足,期望在根源上解決結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的一些問題。進(jìn)而依據(jù)科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型,提出一套更加完善的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系。在此基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)設(shè)計的實用創(chuàng)新和審查制度提出了一些建議,從而為完善和改進(jìn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系提供一些參考和依據(jù)。