工程結(jié)構(gòu)耐久性與全壽命設(shè)計(jì)理論研究

許秀穎 羅 明

（北京交通大學(xué)海濱學(xué)院，河北 黃驊 061100）

0 引言

近年來，建筑工程方面的結(jié)構(gòu)性、耐久性、環(huán)境影響問題作為世界關(guān)注熱點(diǎn)，尤其是建筑工程后期的維護(hù)工作將消耗極大的資源，嚴(yán)重阻礙建筑領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)度。與此同時(shí)，工程師們也深刻意識(shí)到此類問題的是嚴(yán)重性，并針對(duì)此種現(xiàn)象提出建筑工程全壽命周期引發(fā)的經(jīng)濟(jì)性問題。

1 研究目標(biāo)與發(fā)展方向

工程結(jié)構(gòu)一般分為項(xiàng)目初期規(guī)劃、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑施工環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、后期拆除環(huán)節(jié)。工程結(jié)構(gòu)可體現(xiàn)出完整的建筑特性，并對(duì)關(guān)聯(lián)范圍內(nèi)的持續(xù)發(fā)展性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行展現(xiàn)。為此，對(duì)于工程的全壽命設(shè)計(jì)來講，其不僅應(yīng)對(duì)環(huán)節(jié)的使用周期進(jìn)行精準(zhǔn)分析，來應(yīng)從滲透到工程結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)的性能、成本、技術(shù)銜接等提供就基礎(chǔ)保障，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

在對(duì)工程結(jié)構(gòu)的一系列工程內(nèi)容進(jìn)行全壽命設(shè)計(jì)時(shí)，主要是通過不同工作環(huán)境、受力模式、預(yù)期使用周期等來對(duì)工程結(jié)構(gòu)所需要材料的瞬變性進(jìn)行分析，以此來得出工程結(jié)構(gòu)中存在的機(jī)理問題；通過對(duì)工程結(jié)構(gòu)使用周期后的土地利用情況進(jìn)行分析，并依據(jù)現(xiàn)象設(shè)計(jì)框架來對(duì)土建工程的預(yù)期工作模式進(jìn)行研究，以此來體現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展的基本理念；通過全壽命周期的實(shí)際應(yīng)用，來對(duì)工程結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)建筑環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)產(chǎn)生明顯效果的優(yōu)化環(huán)節(jié)進(jìn)行記錄，以此來逐步完善全壽命設(shè)計(jì)體系，進(jìn)而減少工程結(jié)構(gòu)的造價(jià)成本，以推動(dòng)資源節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展。

2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)律

2.1 研究現(xiàn)狀

每一項(xiàng)工程結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)特性、工作模式的不同，其都具備與之相對(duì)應(yīng)的生命周期，在環(huán)境、材料、荷載等情況的影響下，將嚴(yán)重增加整體工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，致使其工作性能下降，增加整體建筑結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)。與國外相對(duì)比，我國對(duì)于全壽命周期理論的研究時(shí)間較短，其起始時(shí)間是在2000年初期，主體研究方向?yàn)槭┕ぶ芷陧?xiàng)目整合管理、建設(shè)周期系項(xiàng)目整合管理、交通建設(shè)管理等。在技術(shù)、設(shè)備、理論的不斷更新下，主體項(xiàng)目研究人員也將全壽命周期從項(xiàng)目管理角度中提取出來，并將其應(yīng)用到投資控制問題、耐久性問題、抗震性問題中，以此來逐步完善工程結(jié)構(gòu)的安全體系。但現(xiàn)階段，全壽命周期的研究仍停留在成本控制與工作管理過程中，對(duì)于性能優(yōu)化、資金優(yōu)化、環(huán)境優(yōu)化等方面的投入力度不足，其中大部分理論細(xì)節(jié)還處于研發(fā)過程中。

2.2 發(fā)展規(guī)律

在工程結(jié)構(gòu)的生命周期內(nèi)，主要影響因素為結(jié)構(gòu)的耐久性，其不僅對(duì)整體結(jié)構(gòu)的性能造成影響，還影響整體工程結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)的資金投入情況。從工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)角度開分析，其一般經(jīng)歷應(yīng)力最大化設(shè)計(jì)—破壞階段—臨界狀態(tài)點(diǎn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一步優(yōu)化創(chuàng)新，代表整體結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等又上升到一個(gè)新的高度。

經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)，臨界狀態(tài)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生效果較為明顯，按照概率理論分析，得出的數(shù)據(jù)值要明顯高于其它設(shè)計(jì)方案的測(cè)量數(shù)據(jù)值，其現(xiàn)也作為國際上通用的設(shè)計(jì)方法之一。但臨界狀態(tài)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法是基于工程結(jié)構(gòu)的荷載力、剛度來決定的，且主要是對(duì)完工狀態(tài)下的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，未能考慮到整體工程結(jié)構(gòu)的退化問題。為此，在工程師們?cè)诳沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的影響下，開始對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，充分考慮到每一項(xiàng)工程結(jié)構(gòu)所面臨的結(jié)構(gòu)問題、老化問題、荷載問題等，并對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到的資金投入、維修費(fèi)用、產(chǎn)生的利益、環(huán)境影響等方面進(jìn)行研究，進(jìn)而令臨界狀態(tài)點(diǎn)設(shè)計(jì)模式逐漸向全壽命設(shè)計(jì)模式方向過渡。

3 學(xué)科問題分析

3.1 耐久性下的工程結(jié)構(gòu)特性

對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來講，其實(shí)際工作環(huán)境是以實(shí)際建筑需求為基準(zhǔn)，在不同種氣候、地理因素的影響下，其侵蝕介質(zhì)也具有較大的差異性，此種問題也對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久性造成較大的影響。為此，在對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)從地理環(huán)境、結(jié)構(gòu)特性、功能應(yīng)用等方面對(duì)耐久性進(jìn)行正確區(qū)分。例如，不同區(qū)域環(huán)境的特征數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)變化規(guī)律；環(huán)境影響結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)參數(shù)探析；工程結(jié)構(gòu)耐久性模型研究；主區(qū)域與分區(qū)域的邊界測(cè)定方法探析等。

3.2 施工材料的實(shí)際影響規(guī)律

在工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工階段，其是以設(shè)計(jì)圖紙為主，將立體化、抽象化概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體化的過程。在每一項(xiàng)建筑環(huán)節(jié)中，耐久性問題是以實(shí)際施工環(huán)節(jié)為載體，滲透到每一項(xiàng)建筑工藝中。而目前我國對(duì)于建筑材料工作狀態(tài)下的耐久性研究較為透徹，但對(duì)于建筑材料在施工周期中的研究處于弱勢(shì)。為此，在對(duì)此類問題進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)包含建筑材料的級(jí)配、添加劑、實(shí)際施工環(huán)節(jié)對(duì)建筑材料的性能影響；建筑材料在施工過程中與實(shí)際工作狀態(tài)下的參數(shù)基準(zhǔn)比對(duì)；在不同施工條件下建筑材料凝結(jié)時(shí)耦合影響等。

3.3 環(huán)境荷載下的劣化機(jī)理

工程結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中，環(huán)境因素與實(shí)際荷載因素往往存在不確定性，為對(duì)傳統(tǒng)單一化的環(huán)境框架研究手段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可建構(gòu)多種自然環(huán)境與荷載模式的組合效果，來對(duì)工程結(jié)構(gòu)的進(jìn)行研究。具體研究優(yōu)化手段包括，環(huán)境荷載下侵蝕介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；建筑材料內(nèi)損情況的發(fā)生規(guī)律、結(jié)構(gòu)部件的性能參數(shù)衰減規(guī)律；負(fù)荷條件下環(huán)境影響的耦合因素；建筑材料對(duì)整體工程結(jié)構(gòu)耐久性的作用機(jī)理；耐久度降低條件下整體工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。

3.4 不同材料間的相互作用機(jī)理

在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程中，其需要多種材料進(jìn)行配合，以提升工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，例如，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、混合機(jī)構(gòu)等，在對(duì)此類問題進(jìn)行研究時(shí)，主要是通過不同建筑材料的特性融合模式來對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行分析。在實(shí)際研究過程中，包含混合建筑材料中的耐久性機(jī)理融合機(jī)制研究；鋼結(jié)構(gòu)、混凝土材料的組合下的結(jié)構(gòu)性能分析；建筑材料與自然環(huán)境發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的化合物（鐵銹）在工程結(jié)構(gòu)使用過程中，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能分析；新型材料與混合材料的聯(lián)用機(jī)制分析。

3.5 工程結(jié)構(gòu)耐久度測(cè)試體系

在對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，主要是將信息化技術(shù)與檢測(cè)模式相結(jié)合，在統(tǒng)一化、科學(xué)化的檢測(cè)基準(zhǔn)下，以建筑材料的常態(tài)特性、施工特性、應(yīng)用特性、性能衰減特性為主，來建構(gòu)完整的測(cè)試體系，并應(yīng)逐步完善測(cè)試項(xiàng)目。與此同時(shí)，應(yīng)加大新型檢測(cè)技術(shù)的研究力度，令測(cè)試體系向智能化、精細(xì)化方向轉(zhuǎn)變。

3.6 工程結(jié)構(gòu)耐久度的評(píng)估模式

工程結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，不可預(yù)見性問題發(fā)生的概率較大，為確保建筑材料可發(fā)揮其較大的功能效用，應(yīng)對(duì)工作狀態(tài)下建筑材料進(jìn)行全過程監(jiān)督，通過長期檢測(cè)數(shù)據(jù)的積累來制定建筑材料的基準(zhǔn)參數(shù)。為此，在對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久度的評(píng)估模式進(jìn)行建立時(shí)，應(yīng)建立數(shù)據(jù)信息與耐久度之間的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，并通過隨機(jī)理論來對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測(cè)，以提升工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。

4 結(jié)語

綜上所述，文章對(duì)工程結(jié)構(gòu)與全壽命設(shè)計(jì)的發(fā)展目標(biāo)與方向進(jìn)行論述，并對(duì)其研究現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究。通過工程結(jié)構(gòu)特性、建筑材料、劣化機(jī)理、耐久性測(cè)試等，對(duì)工程結(jié)構(gòu)與全壽命設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，以此來為工程結(jié)構(gòu)建構(gòu)完整的生命周期監(jiān)管體系，進(jìn)而逐步完善全壽命設(shè)計(jì)體系。