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土建结构工程的安全性与耐久性 一、土建结构工程的安全性 结构安全性是结构防止破坏倒塌的能力，是结构工程最重要的质量指标。结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准，也与结构的正确使用（维护、检测）有关，而这些又与土建工程法规和技术标准（规范、规程、条例等）的合理设置及运用相关联。 1．我国结构设计规范的安全设置水准 对结构工程的设计来说，结构的安全性主要体现在结构构件承载能力的安全性、结构的整体牢固性与结构的耐久性等几个方面。我国建筑物和桥梁等土建结构的设计规范在这些方面的安全设置水准，总体上要比国外同类规范低得多。 1构件承载能力的安全设置水准 与结构构件安全水准关系最大的二个因素是：1）规范规定结构需要承受多大的荷载（荷载标准值），比如同样是办公楼，我国规范自1959年以来均规定楼板承受的活荷载是每平方米150公斤(现已确定在新的规范里将改回到200公斤)，而美、英则为240和250公斤；2) 规范规定的荷载分项系数与材料强度分项系数的大小，前者是计算确定荷载对结构构件的作用时，将荷载标准值加以放大的一个系数，后者是计算确定结构构件固有的承载能力时，将构件材料的强度标准值加以缩小的一个系数。这些用量值表示的系数体现了结构构件在给定标准荷载作用下的安全度，在安全系数设计方法(如我国的公路桥涵结构设计规范)中称为安全系数，体现了安全储备的需要；而在可靠度设计方法(如我国的建筑结构设计规范)中称为分项系数，体现了一定的名义失效概率或可靠指标。安全系数或分项系数越大，表明安全度越高。我国建筑结构设计规范规定活荷载与恒载（如结构自重）的分项系数分别为4和2，而美国则分别为7和4，英国6和 4 ；这样根据我国规范设计办公楼时，所依据的楼层设计荷载（荷载标准值与荷载分项系数的乘积）值大约只有英美的52%（考虑人员和设施等活载）和85%（对结构自重等恒载。一些发展中国家的结构设计多根据发达国家的规范，就如我国解放前和建国初期的结构设计方法参照美国规范一样。至于中国的香港和台湾，至今仍分别以英国和参考美国规范为依据。这里需要说明的是，在其他建筑物的活荷载标准值上，与国外的差别并没有象办公楼、公寓、宿舍中这样大。不同材料、不同类型的结构在安全设置水准上与国际间的差距并不相同，比如钢结构的差距可能相对小些。 公路桥梁结构的情况也与房屋建筑结构类似，除车载标准外，荷载分项安全系数（我国规范对车载取4，比国际著名的美国AASHTO规范的75约低25%）与材料强度分项安全系数均规定较低。 尽管我国设计规范所设定的安全贮备较低，但是某些工程的材料用量反而有高于国外同类工程的，这里的问题主要在于设计墨守陈规，在结构方案、材料选用、分析计算、结构构造上缺乏创新。 2 结构的整体牢固性 除了结构构件要有足够承载能力外，结构物还要有整体牢固性。结构的整体牢固性是结构出现某处的局部破坏不至于导致大范围连续破坏倒塌的能力，或者说是结构不应出现与其原因不相称的破坏后果。结构的整体牢固性主要依靠结构能有良好的延性和必要的冗余度，用来对付地震、爆炸等灾害荷载或因人为差错导致的灾难后果，可以减轻灾害损失。唐山地震造成的巨大伤亡与当地房屋结构缺乏整体牢固性有很大关系。2001年石家庄发生故意破坏的恶性爆炸事件，一栋住宅楼因土炸药爆炸造成的墙体局部破坏，竟导致整栋楼的连续倒塌，也是房屋设计牢固性不足的表现。 3 结构的耐久安全性 我国土建结构的设计与施工规范，重点放在各种荷载作用下的结构强度要求，而对环境因素作用（如干湿、冻融等大气侵蚀以及工程周围水、土中有害化学介质侵蚀）下的耐久性要求则相对考虑较少。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致的结构安全事故，其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的危害，所以这个问题必须引起格外重视。我国规范规定的与耐久性有关的一些要求，如保护钢筋免遭锈蚀的混凝土保护层最小厚度和混凝土的最低强度等级，都显著低于国外规范。损害结构承载力的安全性只是耐久性不足的后果之一；提高结构构件承载能力的安全设置水准，在一些情况下也有利于结构的耐久性与结构使用寿命。 2．调整结构安全设置水准的不同见解 我国结构设计规范的安全设置水准较低，与我国建国后长期处于短缺经济和计划体制的历史条件有关。但是，能够对土建结构取用较低的安全水准并基本满足了当时的生产与生活需求，而且业已历经了较长时间的考验，这是国内土建科技人员经过巨大努力所取得的重大成就；但是，由于安全储备较低，抵御意外作用的能力相对不足。如果适当提高安全设置水准将有利于减少事故的发生频率和提高工程抗御灾害的能力。国内发生的大量工程安全事故，主要是由于管理上的腐败和不善以及严重的人为错误所致。现在提出要重新审视结构的安全设置水准，主要是基于客观形势的变化，是由于我们现在从事的基础设施建设要为今后的现代化奠定基础，要满足今后几十年、上百年内人们生产生活水平发展的需要，有些土建结构如商品房屋则更要满足市场经济条件下具备商品属性的需要。国内近几年来已对建筑结构安全度的设置水准组织过几次讨论，在如何调整的问题上存在较大的意见分歧，这次科技论坛上同样反映了这些不同的见解： 1）认为我国现行规范的安全设置水准是足够的，并已为长期实践所证明，而国外就没有这种经验。我国取得的这一成功经验决不能轻易丢掉，在安全度上不能跟着英美的高标准走；安全度高了是浪费，除个别需调整外，总体上不必变动。 2）认为我国规范的安全度设置水准尽管不高，但在全面遵守标准规范有关规定，即在正常设计、正常施工和正常使用的“三正常”条件下，据此建成的上百亿平米的建筑物绝大多数至今仍在安全使用，表明这些规范规定的水准仍然适用；但是理想的“三正常”很难做到，同时为了缩小与先进国际标准的差距以及鉴于可持续发展和提高耐久性的需要，在物质供应条件业已改善的市场经济条件下，结构的安全设置水准应适当提高。这种提高只能适度，因为我国目前尚属发展中国家。 3）认为我国规范的安全设置水准应该大体与国际水准接近，需要大幅度提高。这是由于随着我国经济发展和生活水平不断提高，土建工程特别是重大基础设施工程出现事故所造成的风险损失后果将愈益严重，而为了提高工程安全程度所需要的经费投入在整个工程（特别是建筑工程）造价中所占的比重现在已愈来愈低，材料供应也十分充裕。过去的低安全水准只是适应了以往短缺型计划经济年代的需要，但决不是没有风险，如果规范的安全水准较高，曾经发生过的有些安全事故本来是可以避免的，而规范的这一缺陷在一定程度上为“三正常”的提法所掩盖。在建的工程要为将来的现代化社会服务，安全性上一定要有高标准。低的安全质量标准在参与将来的国际竞争中也难以被承认，即使结构设计的安全设置水准能够提高到与发达国家一样，由于我们的施工质量总体较差，结构的安全性依然会有差距。 3、结构设计规范的概率可靠度设计方法 对我国规范的可靠度设计方法持肯定意见的专家认为这是重大的科技进步，可靠度方法对安全度的概率定义要比定值的安全系数更清晰、更科学、更合理，当然概率可靠度设计方法本身尚有不少缺陷，有待进一步修改完善。持相反意见的人则认为，结构设计规范所面向的是类型多样的复杂群体，在安全度上需要考虑的不确定性与不确知性非常复杂，并不是“从统计数学观点出发的概率定义”所能科学描述或处理；规范可靠度方法在我国十多年的实践表明，它并没有给结构设计的安全性带来明显实效，反而造成了安全概念上的某些混乱；对工程技术人员来说，结构的安全度用可靠指标和虚假的失效概率表达后变得更加不可揣摩和模糊不清，不如安全系数那样从安全储备出发的度量方法更为直观和便于处理具体工程的安全问题；现行设计规范中的可靠度方法很不成熟，存在不少根本缺陷；他们认为半概率的多安全系数方法更适用于规范，也不排斥可靠度分析的结果可以作为一种参考，在综合判断安全系数的合理取值时予以考虑。 二、土建结构工程的耐久性 土建结构工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能包括结构的安全性和结构的适用性，而且更多地体现在适用性上。 1、土建结构工程的耐久性现状 大多数土建结构由混凝土建造。混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题，并非我国所特有，但是至今尚未引起我国政府主管部门和广大设计与施工部门的足够重视。 长期以来，人们一直以为混凝土应是非常耐久的材料。直到70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的时期内就出现劣化；据1998年美国土木工程学会的一份材料估计，他们需要有3万亿美元来处理美国国内基础设施工程存在的问题，仅修理与更换公路桥梁的混凝土桥面板一项就需800亿美无，而现在联邦政府每年为此的拨款只有50～60亿美元。另有资料指出，美国因除冰盐引起钢筋锈蚀需限载通行的公路桥梁已占这一环境下桥梁的1/4。发达国家为混凝土结构耐久性投入了大量科研经费并积极采取应对措施，如加拿大安大略省的公路桥梁为对付除冰盐侵蚀及冻融损害，钢筋的混凝土保护层最小厚度从50年代的5cm逐渐增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm，而混凝土强度的最低等级也从50年代的C25增到后来的C40，桥面板混凝土从不要求外加引气剂、不设防水层到必须引气以及需要设置高级防水胶膜并引入环氧涂膜钢筋。而我国遭受盐冻侵蚀地区的公路桥梁在耐久性设计方面至今仍无明确要求，对混凝土保护层和强度的要求仅为5cm与C25，与上面提到的加拿大50年代水准一致。 我国建设部于80年代的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25～30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30～40年。桥梁、港工等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用十年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用，使用十几年后就出现问题，有的不得不限载、大修或拆除。盐冻也对混凝土路面造成伤害，东北地区一条高等级公路只经过一个冬天就大面积剥蚀。我国铁路隧道用低强度的C15混凝土作衬砌材料，密实度和抗渗性差，不耐地下水与机车废气侵蚀，开裂与渗漏严重；对几个路局所辖的隧道进行抽样调查表明，漏水的占4%，其中1/3渗漏严重，并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电，影响正常运行，而1999年颁布的铁路隧道设计规范仍未能对隧道的耐久性问题采取适当的对策，如适当提高混凝土的最低强度等级和在混凝土中掺入化学纤维等。 耐久性问题的严重性和迫切性在于我们许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训，还沿着老路重蹈覆辙。一些北方城市新建成的立交桥和高速公路桥，仍没有在材料性能和结构构造等方面采取必要的防治冻融和盐害的综合措施。甚至大型工程如2000年投入运行的珠海莲花跨海大桥，其主体结构在浪溅区仍采用不耐海水干湿交替侵蚀的C30混凝土与3～4cm厚的保护层厚度。 有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，由于忽视耐久性，迎接我们的还会有“大修”20年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。 使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因有： 1) 由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准，导致水泥工业对水泥强度的不适当追求，使水泥细度增加，早强的矿物成份比例提高，这些都不利于混凝土的耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定的最低许可值，而国外则同时还要求不高于规定的最高值，如果强度超过了也被认为不合格，这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。 2) 工程施工单位不适当地加快施工进度，尤其是政府行政领导对工程进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证，早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。国内媒体上大加宣传的所谓几个月就修成一条大路、建成一座大桥、或盖成一幢高楼的工程以及抢工献礼工程，很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期的在国外要被罚款，因为意味着工程质量有遭到损害的可能。 3) 环境的不断恶化，如废气、酸雨，我国的酸雨面积已超过国土的30% 。 当前迫切需要进行的工作是尽快编制桥梁、隧道、港工等基础设施工程耐久性设计的技术条例，修订补充现行规范中对结构耐久性的要求。首先需要明确的是各种基础设施工程的设计工作寿命，在重要工程的设计文件中必须有使用寿命的要求和论证。当前在建的众多工程在耐久性上之所以仍然沿着重蹈覆辙的道路走，很重要的一个原因是工程设计施工技术人员在耐久性上没有可资遵循的新依据。更为严重的是现行规范中的有些条文，本身就对耐久性有害。为了提高混凝土耐久性，在混凝土中合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段，国外有的规范甚至规定在桥梁等混凝土结构中必须加入粉煤灰等掺合料，而我国的铁路混凝土桥隧施工规范仍在明文禁止使用。此外，工程技术界还存在长期形成的一些过时的看法，对改善混凝土的耐久性能造成阻力。例如，顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂，而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段；又如，希望加大水泥用量来保证混凝土强度，而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。 在修订规范的耐久性要求上，交通部于2001年颁布的港工混凝土结构防腐蚀技术规范已为其它土建工程行业起到较好的示范作用。我们一方面要参照国内外已有的资料和经验，尽快编写出相应的设计施工技术文件以应急需，另一方面则要安排系统的研究项目，加大耐久性研究工作的支持力度；混凝土结构的耐久性是当前国际上结构工程学科最为重要的前沿研究领域之一，而我国在这一方面相当落后。混凝土的耐久性研究离不开原材料和环境等特定条件，需要考虑本国的特点，是不能完全依赖国外研究成果的。 重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床，水泥生产排放的二氧化碳已占人类活动排放总量的1/5～1/6，而我国排放的二氧化碳量已居世界第二。我国现在每年生产5亿多吨水泥，与之相伴的是年耗20多亿方的砂石，长此以往实难以为继。延长结构使用寿命意味着节约材料，而耐久的混凝土一般又应是水泥用量较低和矿物掺合料(工业废料)用量较高的混凝土，所以耐久的混凝土正适应环境保护的需要。国际上对桥梁、隧道等土木工程的设计工作寿命多为100年，有的如英国为120年。考虑到耐久性不足所造成的巨大经济损失和资源浪费，国际上近年来有要求将这些工程的最低工作寿命进一步延长的趋势，如提出城市环境中的桥梁至少应有150年。 2．土建结构工程使用阶段的正常检测与维护 结构耐久性和使用寿命的概念，与使用阶段的检测、维护和修理不能分割，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。为了保证结构安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用过程中，应该进行定期检测和维护。我国有结构工程的设计规范与施工规范，但没有如何使用的规范。有些工程倒塌事故，例如最近四川宜宾的南门大桥发生桥面坍落事故，就是因为桥面结构与主拱之间的吊杆在连接处发生锈蚀，如果有定期的检测要求，这样的事故很有可能避免。有些国家对于结构的损坏可能导致公众安全的建筑物与桥、隧等公共工程，强制规定必须定期检测；即使是建筑物的玻璃幕墙和外墙面砖等建筑部件，因其坠落后容易伤及公众，也有强制定期检测的要求。我国由于施工管理水平和事故操作人员的素质相对较差，质量控制与质量保证制度不够健全，规范对结构安全与耐久性的设置水准又相对较低，已建的工程中往往存在较多隐患，所以更有必要从法制上确定土建工程的正常使用和定期检测的要求。对于土建结构工程的安全质量，虽然政府已作出了设计与施工的责任单位和个人需对其“终身负责”的规定，但是这种要求执行起来缺乏可操作性。要将结构安全质量事故减少到最低程度，还应以预防为主，通过例行检测及时发现问题。 从国家对公共工程建设的投资和对工程设计的要求来看，需要有工程整个使用期限即全寿命费用支出的论证。只注意工程项目建设的一次投资支出，很少考虑工程建成后需要正常维护与修理的长期费用，不但可能损害工程使用寿命和正常使用功能，而且经济上算总账会很不合算。在发达国家，由于新建工程少，用于维修的费用往往更为主要，英国1978年的土建维修费上升到1965年的7倍，1980年的维修费占当年土建费用总支出的2/3。我国虽是发展中国家，现在正大兴土木，可是过去建成的大量工程已经或过早老化。国内40％公路桥梁的桥龄已大于25年，加上进入90年代以后交通量猛增，超载严重，以往的设计标准又低，路、桥的维修问题十分突出。由于养护维修费用得不到保证，造成工程安全隐患并在以后需要支出更多的大修费用。在土建工程的投资上，希望有关部门能加大已建工程维修的费用。 为加速路桥等公共工程建设，国家现在鼓励投资公司出资并给以一定期限如30年的经营收入作为补偿。如果对重要土建工程有必须进行定期检测与评估的法规，就能保证这些工程在一定期限后归还国家管理和经营时的良好功能，对于设计工作寿命为100年的桥梁，至少还可正常使用70年，而不至于30年到期后国家接收的已是一个破旧的工程。 三、技术规范的作用与管理 这次科技论坛对于土建结构工程技术规范的定位、作用与管理也进行了讨论并提出了一些看法。 长期以来，受计划经济体制的影响，我们往往视技术规范为法，将规范的具体规定和要求等同于法律条文来对待。技术规范或规程，与各种技术条例、技术要求、工法、指南等技术文件一样都是技术标准，本身不具有法律作用，只当工程各方（业主、设计、施工企业）认同作为设计与施工的依据并在契约的基础上，才能作为法律仲裁的依据。将技术问题法制化并强制执行，不利于技术进步和创造性的发挥，反而容易成为推卸责任的借口。当然，政府部门从国家和公众的整体利益出发，需要在安全、环保等重大原则上对土建工程的设计施工提出必须满足的最低要求并制定相应的法规，但法规一般并不需要提供如何达到这些要求的具体技术途径和方法，后者是技术标准的任务。政府也可以原则认可或批准某些重要的技术规范或其中某些内容使用。 企图不断加强技术规范的强制性来解决屡禁不止的工程事故，不是解决问题的有效途径。现在，有关主管部门将建筑结构设计规范中的部分条文抽出来，明确列为强制性条文，同时规定各个设计单位完成的设计，须通过有关部门或其授权委任的其他企事业设计单位的审查，而审查的主要内容就在于对照规范强制性条文的要求，其任务已类似于执法；这种做法是否明智似可商榷。我国土建工程事故频繁的原因，主要在于管理不善，特别是管理环节上的腐败；其次是施工操作人员素质低，又难以短期解决；过分强调规范的地位与作用，未能建立与规范配套的完整标准体系，比如缺乏指南、工法等更为详尽具体的技术文件，可以用来指导和规范设计与施工的各个具体环节，也有一定的关系。从设计角度看，出现事故主要不是由于没有按照规范强制性条文的规定，而是方案性的错误或忽略主要的设计条件；也有一些工程则因过去的设计标准过低，耐久性不足，在使用过程中又缺乏应有的例行检测而导致失效。其实，要做到设计规范强制条文的要求最为容易，为此请专业人士审查似无必要。重要的工程设计应规定请专业单位全面审核，其要点也应在结构方案、构造方法与计算分析的原则上。从结构设计的国家规范中抽出的强制性条文不免支离破碎，个别条文的规定也不一定适合某些地区和某些工程的具体特点，反而造成麻烦。 我国幅员广阔，各地经济发展很不平衡，技术力量悬殊，环境条件各异，客观上要求规范能给设计人员更多灵活性，少一些强制性，这样才能更好地在规范的指导下，根据工程的特点和具体条件去解决问题。总之，在规范标准上，要摆脱计划经济年代遗留下来的过分强求统一、较少考虑个性和缺乏实事求是灵活性的倾向。要提倡和鼓励各省市编制地方性规范，在工程的安全性和耐久性标准上，可有不同的设置水准。比如上海、北京、广州这些大城市应该高些，在抗震防灾要求上，更应区别对待。 全国性的规范订得愈详细，其适用性可能变得愈差，造成的混乱也可能愈多；特别象岩土工程那样的规范更是如此。 发达国家有关土建结构工程的规范及与之配套的各类技术标准多由行业协会或专业学会编制及管理，规范的翻新周期短，不象我们要长达10年以上。我国的学会与协会重复设置，分工不明，并且至今还依附于某一政府部门，基本上只起到政府职能部门非官方代言人的作用，距离独立和富有活力的健全机构还差的很远，如何发挥这些机构在技术标准编写和管理中的作用也是值得探讨的一个问题。建议随着改革的深入，整顿合并有关的学会、协会，加强其职能，并逐渐成为技术标准编制管理的主体。 四、准备提交政府有关部门考虑的建议 为了改善我国土建结构工程的安全性与耐久性，这次论坛中提出了以下建议供政府有关部门考虑，： 1、桥梁、隧道、道路、港口等基础设施工程的混凝土结构耐久性，已是当前亟待采取措施应对的重大问题。否则，一些工程的正常使用功能和安全性将得不到有效保证，我国的现代化建设和国民经济会蒙受巨大损失，并将给生产和公众生活带来长期困扰。 建议国家建设部、交通部、铁道部主管土建工程设计标准的部门，能对工程的耐久性要求作重点审查，明确土建工程的设计应有最低使用寿命的要求，重要工程的设计文件中应有正常使用寿命和耐久性设计的独立章节与论证； 建议国家自然科学基金委员会能在今后一段时期内对混凝土工程耐久性的基础理论研究给予重点支持； 建议国家安全生产监督管理局为在近期内编订有关法规标准给以立项资助； 建议中国工程院土木水利建筑学部在其咨询研究项目中，联络国内有关专家，促进土建结构耐久性设计指导性技术条例的编制。 2、土建工程使用过程中的安全性，应有定期的检测和正常的维护修理加以保证。对于重要土建工程，我国尚无必须进行安全检测的法规。在基础设施工程的投资上有重新建、轻维修的倾向，不利于工程寿命和投资效益。 建议对桥、隧等重要公共基础设施和公共建筑物，在其使用期内实施强制性的定期安全检测。为此，需要制定法规，编制相应的技术标准；对于土建结构工程的检测与评估，需要建立从业人员的注册制度和从业机构的资质认证与监管体制。凡属已建工程的安全诊断也可一并归入这一行业。 建议政府有关部门在桥、隧、道路等土建基础设施工程投资上，根据需要，加大工程维修费的比例。 3、完善技术标准体系与管理体制，发挥学会、协会在技术标准编制、修订和管理中的作用；逐步淡化技术规范条文的强制性质；鼓励编制地方性规范(标准)和企业标准，适应不同地区在环境地质和经济、技术水平上的差异，并鼓励科技创新和技术进步。 4、合理设置土建结构设计的安全水准，必须考虑工程失效的风险后果、社会的财富与资源供给、乃至公众的意向等多种因素。随着我国经济形势的巨大变化，有必要重新审视现行土建结构工程设计规范的安全设置水准，建议主管部门组织论证。桥梁等交通土建结构的风险后果较大，且由于车流、车载、车速的快速发展，在设计荷载标准值和承载力安全度的设置水准上似乎应比一般的建筑结构有更高的安全贮备。在建筑结构的安全设置水准上，建议进一步收集不同意见，包括商品房消费者的意向。我国不同地区的经济发展水平悬殊，在建筑物安全性和耐久性的要求上是否需要区别对待也值得探讨。 5我国建筑结构设计规范采用可靠度设计方法的经验及问题值得总结。可靠度方法用于不同类型结构的先决条件和难度不一，不必强求一律。建议有关部门在推广可靠度方法于各类设计规范时，广泛征集各种看法，实事求是，稳慎对待，不宜急于求成。
绪 论1选题背景从穴居人到现代社会，人类经历的不仅仅是时代的变迁，文化的进步，就连建筑行业也是发生了翻天覆地的变化，由洞穴（公元前25000年前）——泥砖房（公元前8000年）——多姆斯（公元前500年）——城堡（公元3世纪）——町屋（公元9世纪）——土楼（宋元时期）——公共住房（现代社会），随着材料和造型的改变，人们对建筑物的要求也越来越高，既要求经济、又要求适用、还要求美观。近年来的建筑行业发展尤为迅猛，随着科学的进步，建筑行业由传统模式变为了现在的开放管理，也变得越来越科技化，比如装配式建筑、BIM技术等。BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，它是通过数字化技完整一致的、具有逻辑性的建筑信息库[4]。BIM技术最初是由Autodesk公司在2002年提出的，主要是为了帮助实现建筑信息的集成，从建筑的规划设计、招投标、施工、竣工验收、后期的保修期直至项目终结，所有的数据都可以转化为一个三维模型。BIM应用技术的发展如此快速，还有一个很重要的原因，它可以有效的提高工作效率，减少生产成本，缩短建筑周期，可以将利益最大化。因此BIM应用技术在未来必将会是每个建筑人必须拥有的一个技能。毕业设计是展示和提升高校建筑工程专业学生BIM应用技能水平和综合素质的新途径和新方法，是培养高素质复合型、应用型建筑工程人才的重要途径。本项目的任务是使学生在准备阶段、招投标阶段和施工阶段掌握建筑工程中的BIM技术，针对BIM技术在实际工程项目各个阶段的应用，使学生具备应用BIM工程建模和BIM的能力深化设计，以巩固自己的专业知识，丰富自己的视野，拓展自己的思维，提高问题分析和解决问题的协调能力，为今后的工作做好必要的准备。2 BIM技术在国外的发展美国的BIM研究与应用都位居世界前列。目前美国大部分建筑项目已经开始应用BIM技术了。此后，各种BIM协会都陆续出现，各种BIM标准也出台了。BIM技术在西方国家发展得很好，尤其是英国。到目前为止，英国的BIM技术应用正在以全世界最快的速度增加。到2013年3月出台了PAS1192-2标准。这一标准是英国政府建设战略的一部分，以加强工程交付管理和财务管理为目标，其主要目的是整体上把公共部门建设费用的支出减少近20%-30%。据2015年NBS(Nationalbuilding Specification)调查报告显示，英国政府到2025年为止将白天释放33%的培养产业指标。缩短建设初期费用和人寿周维护费用，建设更新工程50%工期，温室气体排放量50%，建筑材料进出口贸易50%。英国国家广播公司(NBS)从2010年开始进行“国家BIM调查(NationalbiMSurvey)”，以约1000名建设、工程和测定领域的建设产业从事者为对象进行在线调查。这份关于BIM的调查到现在已经是第5年了。调查结果显示，英国政府2011年发表BIM推进政策白皮书后，经过4年左右的努力，效果显著。图1 美国BIM倡议3 工程项目概况及设计要求笔者的毕业设计题目为“乌审旗沙尔利格小学综合教学楼及周转宿舍的建模表现”。本项目建筑面积28平方米，基地面积22平方米，地上4层（局部3层），建筑总高00米（从室外地坪至坡屋顶二分之一处），框架结构（局部钢框架），屋面防水等级1级，耐火等级二级，抗震设防烈度为7度。该设计采用BIMMAKE或Revit结合图纸进行土建模型的创建，模型创建过程中可以将BIMMAKE模型无缝导入到Revit中，不建议反向导入。通过BIMMAKE能够简单快速的进行土建模型创建，一键处理模型重面，快速绘制跨度间的梁板，能够做深化设计进行快速砌体排砖。采用广联达专业机电BIM软件MagiCAD2020 for Revit2019(以下简称MC) ，结合图纸完成案例工程机电模型建立，模型中包含但不限于机电各专业管线、管件、附件、设备、支吊架（不少于两个专业）。 根据机电管线配色方案（配色为常规配色或自定义）为机电管线、附件、设备进行配色； 根据综合管线排布原则对所建机电管线进行管线综合排布调整； 利用MC机电管线交叉快速处理功能对交叉碰撞管线优化处理； 利用MC碰撞检查对优化调整完成的机电管线进行碰撞检查，对存在碰撞位置再次进行优化调整，直至管线间不存在碰撞；利用MC孔洞预留和开洞功能对机电管线穿土建墙体进行孔洞预留开洞；利用MC碰撞检查对所建模型进行整体碰撞检查，包含机电各专业之间，机电与土建之间的检查，对存在碰撞位置进行调整优化，直至不存在碰撞。通过导入土建与机电模型，在虚拟现实设计平台VDP进行效果和交互处理，同时对项目概况、实施过程等进行适当介绍，最后通过BIMVR进行展示；在VDP中对机电专业某个系统的局部进行动画运行模拟，对土建结构局部进行施工动画模拟，对重要节点的施工工艺模拟。也可采用LUMION软件对模型进行漫游渲染。本次设计主要采用了实际操作的方式，通过对乌审旗沙尔利格小学综合教学楼及周转宿舍的建模表现这一课题的研究让笔者对于BIM应用技术具有初步的认识，清楚BIM建模的每一个过程，将书本上的概念转化为实际中的应用。图2 建筑立面图Revit模型的创建1 模型创建的前期准备 毕业设计本身就是一个难度大、工程量大的作业，而且此次笔者的设计还是关于BIM的建模与表现，难度更是不小。笔者在此之前从来没有接触过BIM这一方面，这方面的软件更是不清楚，而且专业相关的软件，只有CAD有一点点的基础，这次设计甚至连要用哪个软件都不清楚，所以这个课题对笔者来说真的是很困难的。所以在做这个毕业设计之前，做了很多的准备。先是对任务书进行了初步研究分析，同时又跟着老师学习了一段时间的机电建模，还从图书馆借阅相关的资料，以及上网搜素相关的视频资料等。在觉得自己对任务书有了一定的了解之后才开始做建模。建模之初需要先进行安装软件于BIM技术的建模与表现配套软件，主要软件有以下几个：1）广联达BIMMAKE；2）广联达MagiCAD 2020 for Revit 2019、3) 虚拟现实设计平台VDP、BIMVR；4）Revit 2019；5）Microsoft Office Word、PowerPoint、Project；6）其它 BIM 相关软件 图1 软件安装示意图在软件安装的同时，笔者先进行资料的处理，一个是图纸的处理，另一个是关于族的处理。笔者的这套图纸中主要包括建筑图纸、结构图纸、暖通图纸、水施图纸、电气图纸。笔者需要把每个专业的图纸都分割好，顺便将图纸中多余的内容去掉，这样方便后期建模时图纸的导入和建模。族用汉语意思来讲就是聚集，而Revit里的族也是如此，Revit里的族有很多种，包含了建筑物的每一个构配件，这些构配件的族都聚集在一起就形成了一个完整的建筑物。而族的创建也是十分复杂的，在此次设计中就不过多描述关于族的创建，故直接使用系统中自带的族。在软件安装完成后就可以开始建模，笔者打开Autodesk Revit 2019软件，并且新建一个项目样板（项目样板是建立项目的基础设置，它就像一个模子，由多种族构成，在项目样板的基础之上，才可以建立一个完整的项目），进入到正式的绘图页面。进入界面之后，我们需要进行一个很简单的操作，那就是将项目浏览器和楼层平面图例分开（笔者习惯将楼层平面图例放在左边，项目浏览器放在右边）。用鼠标将项目浏览器拖至Revit 右边界面边缘处，这样方便我们在后期的模型建立。 图2 Revit界面图图纸比例设置完成后，可以在我右侧项目浏览器中，看到四个方向，"东，西，南，北"可以随意选择其中一个。然后打开立面图绘制页面，进入立面图绘制页面以后，点击“确定”按钮，系统将自动切换图像页面。进入立面绘制页面后，需要根据建筑物的楼层数、层高，绘制多条标高线条，在菜单栏的“建筑”的选项中，选择“标高”工具，绘制标高。绘制标高时，笔者是从左向右绘制。标高的说明就会出现标高线条的右方，由右向左画标高时，标高的说明就会出现标高线条的左侧，绘制完标高后，我们需要选中标高线，这时就可以看到在没有显示标注的一侧会出现一个小方框，此时可以点击这个小方框，点击过后这一侧也会出现标注。注意绘制的时候，Autodesk Revit会自动显示提示线条，使标线长度保持恒定。按照设计楼层，绘制完成标高后，我们点击标高的名称。以及标高的数据，需要将标高命名为F1，F。这样我们就完成了标高的建立，完成标高后，我们就可以开始绘制轴网。由于笔者的图纸在进行轴网绘制时采用“拾取”的方式时，轴网比较混乱，不容易拾取，也为了减少失误，提高效率，故采用手动绘制轴网的方式。因为该套图纸的轴网左右不对称，故在绘制之前需要先将轴线间的距离分别计算出来。在Revit窗口右侧的项目浏览器中，选择楼层平面中的“F1”点击进行确定。我们会进入到一楼平面的绘图页面。我们可以在上方的选项卡菜单中，选择“建筑-轴网”，大家可以在四个方向范围里的空白处开始绘制轴网。在绘制轴线时，单击空白区域，之后进行水平拖动或垂直拖动，这样我们就绘制成功了第一条轴网，在绘制轴网时，我们一定要注意要垂直或者水平进行拖动，而且在绘制轴网时从左向右，从下向上绘制，这样我们就可以保证轴网的标注是正确的，以免发生不必要的错误。接下来我们可以重复做上述工作，绘制余下的轴网。绘制余下轴网是一定要注意轴线与轴线之间的距离。我们也可以在绘制成第一条的时候选择复制或者阵列，随便设定一个距离，等画完所有的轴网后，再进行修改距离，注意修改距离的时候，先选中一个轴线，修改左侧的距离，再选择下一根轴线，同样修改左侧的距离，直到全部修改完。我们完成一个方向的轴网绘制后，可以对轴网的长度进行统一的调整，任意点击选中一个轴线。会发现在轴网的数字标注下方会出现一个小的空心圆圈，鼠标指向空心圆圈并出现一条虚线可以连接到所有的轴线时，我们可以拖动空心圆圈直到到达自己需要的长度后，停止拖动，这时所有的轴线都已经被拉长了。完成一个方向的轴网绘制后，我们重复以上操作完成其他方向的轴网绘制，但是我们需要在绘制完第一条的轴网后将名称需要修改为A，确定第一条轴线的名称之后，其后的所有轴线就会自动根据第一条的规则进行依次标注，逐步绘制多条轴线后，即可完成轴网的绘制。绘制轴网完成后，我们需要调整一下轴网的位置，一定要将轴网放置于四个立面标志的方向里，如果不在四个方向里会影响我们三维图的视角，我们需要将其移动至轴网之外（注意，这四个方向都是有两部分，一定要将其都选中后再进行移动)。轴网和标高一旦完成，我们就开始绘制基础，柱子或其他结构。 图3 Revit方向截图2 模型创建阶段我们建立模型时可以按照以下顺序：基础——结构柱——结构梁——结构板——墙——楼梯——门窗——坡屋顶——给排水——消防——电气——暖通。3结构模型和建筑模型建立阶段在建立基础之前我们一定要反复阅读图纸，做到充分理解图纸，理解业主的意思，再确定基础的材料、形状、埋深，然后开始建立基础模型。建立基础模型，需要先导入CAD 图纸，再按照基础形状载入族（笔者的图纸中大部分为坡型柱下独立基础，还有少数的筏板基础)，然后复制创建新类型，进行编辑。最后将编辑好的基础放置在图纸的相应位置即可，放置好之后可以再去三维图里测量下基础底的标高是否为4米，标高快捷键为EL。基础模型相比较其他的模型是比较简单的。图4 基础模型接下来我们就可以进行结构柱的建立，各专业模型建立的过程都是类似的，第一步导入CAD图纸（或者选择链接CAD），将图纸与轴网对齐，快捷键AL。第二步，观察图纸中柱子的类型，主要包括截面尺寸，高度，配筋，箍筋间距等。确定好各类柱子之后就可以开始载入柱子的族，为现浇混凝土矩形柱且混凝土强度等级为C30。第三步就可以创建新的类型，将47种框架柱的信息全部编辑完成。第四步就可以开始绘制柱子，为了减少工作量，笔者采用了简便的方法，先在楼层平面F1中导入了基础顶至450柱平面图，在绘制柱子时修改了柱顶的偏移量，比如KZ22，标高为350——150，可以在图纸350至屋顶柱平面图中找到KZ22的位置，在F1中找到KZ25的对应位置，绘制时分别将柱底偏移量和顶部标高修改为8350和16150就可以了，这样在绘制时能少导入几次图纸，提高工作效率。 图5 柱表和柱子图例绘制完柱子时一定要注意底部偏移量，如果不修改柱子底部的偏移量，基础会跑到柱子下边，或者基础与柱子不在一个平面，偏离原来基础的位置，所以一定要特别注意。绘制完柱子之后也要在三维图里测量一下基础底标高，柱底标高和柱顶标高。以防止柱子或基础发生偏移。柱子绘制完之后我们可以开始建立结构梁的模型。我们先导入结构梁的平法施工图，然后使用快捷键AL分别对齐轴网，对齐后我们可以看到柱子的截面图，可能会影响我们的绘制，所以我们调整一下视图可见性，将结构柱取消选中就可以将柱子隐藏。 图6 视图可见性从图纸中我们可以知道，这里的梁为现浇钢筋混凝土梁，混凝土强度等级为C30。我们可以先在插入/载入族中找到现浇混凝土梁—矩形，载入之后，我们在右边的项目浏览器中选中其并单击右键，选择新建类型。按照图纸中的编号将所有的梁都进行创建，创建完成后再进行数据的编辑，梁的数据编辑比较简单，只需要编辑梁高和梁宽。然后按照位置将其绘制上去即可。 图7 结构框架展示在绘制门窗时使用 了“HiBIM土建0”，这个软件可以直接将门窗转化出来，不需要一个一个的建立模型再放置在合适的位置，而且可以很好的协调墙门窗之间的连接性。首先需要我们把CAD图纸链接进来，再提取门窗的一些数据。最后转化即可生成。 图8 墙门窗转化最后再绘制其他建筑构配件即可，此时土建模型就建立完成。4机电模型的建立 机电模型我们可以从给排水开始，首先还是要熟读图纸，理解图纸中的每一个细节，要做到充分理解图纸。然后开始建立模型。 导入CAD图纸，快捷键AL对齐，然后在右侧的项目浏览器中，我们将找到族--管道--给水，选择“复制”，将出现一个给水系统2，然后双击将其选中，并将其命名为“供水系统”，然后打开“材质”选项，添加新材质，并将其命名为供水系统1（由于供水管干管的设计，垂直管采用钢塑复合压力管，支管采用pp-r管。为了区分支管、主管和立管，所以我们将其命名为给水系统1），并修改颜色为绿色或修改编号为“0、255、0”。修改过之后就可以选择在一个空白的地方画一段管道，由于视图可见性和视图范围，可能会导致作者看不到绘制出来的管道，此时可以先将左边的楼层平面选项卡中规程修改为协调，如果不显示，则可以观察视图可见性中“管道、管件”是否为选中状态，将其选中，最后一个视图范围，视图范围共有四项，分别是顶部、剖切面、底部、标高。这里一定要注意:上下剖切面必须在两限制范围内，且上剖切一定要高于下剖切！这几项都改之后我们绘制的管道就可以显示出来了。这时我们选中我们刚才绘制的管道，点击管道属性栏下方选择系统类型为“给水系统1”，然后点击编辑类型--管段和尺寸--新建一个材质为PSP钢塑复合压力管，压力0MPa。点击确定后我们还需要载入管件的族，包括弯头、三通、四通等水管管件。其他管道的创建也是如此。创建完成之后就可以开始管道的绘制。绘制过程中我们一定要注意管道的标高和管径。水平管道的绘制修改过标高和管径之后沿着图纸中的管线绘制即可。立管的绘制需要先修改管径，然后选择管道的标高，确定一下立管的高度，偏移量再次修改，修改完成后双击应用，立管就绘制完成了，我们也可以在三维图里确定一下。如管道JL—1，该管道的最低处标高为-700，DN65。管道最高处标高在300—200之间，我们结合各种因素将其确定为500（如果后期绘制其他管件附件有影响时，可以再修改），在绘制时我们选择立管的位置，并将其第一个偏移量修改为-1700，从-1700绘制后再将其偏移量修改为14500-（-1700）=16200，再双击应用，立管就绘制成功了。然后我们再安装管道附件，舆洗池，大便池，小便池等卫生器具。暖通专业和电气专业的绘制皆和给排水专业类似。按照此法绘制即可。 图9 机电模型展示 图10 机电模型展示 图纸问题及解决方法在制作模型的过程中，我们遇到了很多的难点以及图纸中的问题，在此列举几个来说明。1 图纸分割的问题在建立模型前的准备的工作中，笔者遇到了很多难点，第一个就是图纸分割的问题。因为CAD的版本问题，打开的图纸不是很全面，部分内容丢失，还有乱码等现象，直接复制到新建图纸上后可能会导致图纸部分内容的丢失。解决办法:采取零一个分割图纸的方法，可以先选中图纸，然后使用W➕空格，此时会跳出来一个对话框，对其内容进行修改并保存即可。 图1 图纸分割2 关于建立独立基础模型问题 在编辑基础模型的数据时，主要有h2、h1、d2、d1、宽度、长度、Hc、Bc这几个数据，前边几个数据根据图纸就可以知道，其中Hc、Bc是需要我们注意的地方。由图10我们可以知道Hc、Bc都等于坡形基础的破口长度减去100，在编辑数据时我们要注意这一点。 图2 基础数据编辑 基础还有一个需要注意的数据是“底部高程”。底部高程即基础的标高，但是基础绘制上去后系统会给它自定义一个高程，如果这个高程和我们需要的高程不一致时，我们需要去修改这个数据。如DJp01，由图纸可知，底部高程为-400米，基础底下高度为H1=400，坡形高度=200，基础总高=400+200=600，即修改自标高的高度为600，这时顶部高程就变为2800，要注意是两个数据都要修改。 图3 基础属性栏3 视图问题画出基础或其他构件时在Revit右下角会弹出一个对话框，所画构件在视图范围内不可见，这时我们需要调整视图范围或规程或视图可见性，这个在整个模型建立过程中最常用的一个功能。 a 调整规程 b 视图范围调整图4关于所建模型不可见的调整柱子建模完成，开始建立结构梁的模型时，我们导入CAD图纸会发现，已经导入过柱子的平面施工图，这时我们打开视图可见性中导入的类别，将柱子平面布置图取消选中即可。 图5 导入的类别调整完导入的类别，导入梁的平法施工图，快捷键AL对齐后，会发现柱子会显示在轴网上，打开视图可见性中模型类别，找到结构柱，将其取消选中，柱子就会被隐藏，如果后期需要，再将其取消隐藏即可。 图6 模型类别 建立完成一层的梁模型后，开始建立二层的梁模型时，一层的梁会在二层显示出来，如果将其隐藏的话，二层的梁就会无法绘制。可以在模型类别中找到结构梁，调整其透明度。4 关于墙模型建立时的问题图纸显示±000以上外墙采用200mm厚蒸压加气混凝土砌块，内隔墙采用200mm或100mm厚蒸压加气混凝土砌块。而±000以下采用MU20蒸压粉煤灰砖。在建墙体模型时，可以先绘制±000之下的墙体，导入一层平面图纸，因一层建筑标高为000，在建模时选择MU20蒸压粉煤灰砖，将墙体偏移量设置为-50，在相应位置建立模型即可。
