浅析国内外建筑结构设计的异同

浅析国内外建筑结构设计的异同
摘要：本文从一些工程事故案例出发，对比国内外设计的异同，试图从设计层面，探讨一些隐藏在设计层面的深层问题。

关键词：结构设计建筑可靠度国内外异同
1.对比国内外建筑结构设计异同的初衷及意义
建筑作为国民经济不可或缺的一部分，与我们的生活紧密联系。

鉴于国内建筑结构的耐久性、实际使用安全性还不能满足人民生活的期望，身为结构设计人员，试从结构设计的技术角度分析一些可能存在的原因，希望抛砖引玉，以期业界同仁为我国结构设计水平的跨越发展做出更多努力。

2 一些工程事故的底层技术原因探析
本文从近年来一些重大工程事故的案例出发，撇开一些非技术因素，寻找一些可能存在的技术原因。

2.1 2012年哈尔滨某桥梁整体垮塌事故
2012年哈尔滨市某高架桥上行匝道倾覆，事故原因虽定性为车辆严重超载而导致匝道倾覆。

从现场拍摄的一些照片看，混凝土粉碎性破坏，可能存在钢筋延性不足或者混凝土强度偏低。

2.2 2009年上海某住宅楼整体倒塌
2009年6月上海闵行区某13层在建商品楼发生整体倒塌事故。

事故原因被定性为施工人员违反安全管理规定。

从现场照片来看，该楼倒塌部分在筏板基础底板抗拔桩中部，断裂部位较为平整，偶尔出现钢筋外漏。

设计上可能存在基坑太浅，导致抗倾覆安全储备过低及桩配筋不足（从相关报道的图片1看，断裂的桩中配筋较少或者无配筋）。

建筑结构荷载考量的国内外异同
3.1 荷载取值及合作分项系数
荷载统计方式国内外大同小异，但是对于荷载取值及荷载分项系数各国差异较大。

恒荷载分项系数以英国为代表的国家取值为1.4，北欧中欧部分国家按1.3取值，美国取值1.2；活荷载英国取值达1.6为最大，其他各国取值大多为1.4~1.5。

而地震荷载分项系数均为1.3。

这一差别对结构荷载效应计算值的差别约为15%。

荷载取值方面，虽然各国规范对荷载统计方法差别不大（如风荷载、楼面活荷载的计算方法大致相同），但不可否认规范的规定仍存在很多差异。

尤其需要
提出的是，国内规范对于荷载取值原理性规定更多地放至条文说明里，而条文说明的效力远低于正文规定，这使一些具体问题缺乏必要的分析依据，很多情况下是依赖经验或者“专家意见”。

以施工荷载定义为例，国内荷载规范5.5节中规定了”施工或检修集中荷载(人和小工具的自重)应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验算”，对于实际哪些情况会超过此值未做具体规定。

由于设计人员一般不会了解施工时钢筋堆放、个别工具具体自重，所以词条规定标注没有什么用处。

而英国规范BS6399-1对于施工状态产生可能集中荷载做了详细规定，与均布情况的设计值取大者进行设计。

这样的规定不止是方便的设计人员，更重要的是保证的结构可靠度。

规范的规定应该适度从严、并且规定的条文易于在设计中落实。

3.2 活荷载组合系数及折减系数规定的建议
中国规范原则上与北美规范类似，即考虑活荷载折减系数及组合系数；而英国规范不考虑活荷载折减，存在多种活荷载时也不考虑活荷载的组合系数。

国内的荷载规范对于荷载折减用词取“应”，而参考香港的荷载规范（香港规范秉承英国规范），其3.7.1条规定了活荷载不具备折减资格的情况，3.7.2条对活荷载折减用词为“可”。

从这一点上，可以说国内荷载规范对于荷载折减的规定不利于提高建筑结构可靠度。

从技术层面，规范应该规定有利于结构可靠度的下限，而不应设置上限；因为随着经济条件的好转，人们对结构安全可靠性的追求只会不断上升。

设计质量及设计方法对比
4.1 设计质量
由于国内建筑业发展迅猛，设计费用占工程造价比例非常低，留给设计的时间较短，这一定程度上造成了设计粗放化，不够精细。

而国外一般的工程设计费用一般都可达到工程造价的5%以上，重要工程甚至高达30%，而设计时间也会比较充裕，这为工程设计质量做了重要保证。

以钢结构和幕墙结构设计为例，香港及澳洲的工程设计可细化至螺栓的丝扣抗剪验算，就精细化程度而言，国内设计质量仍然存在较大差距。

当然这和目前经济迅猛发展的形势相关，不可能如发达国家和地区那般，每个项目都有充裕时间进行精密细致的设计。

4.2 设计方法
比较而言，在设计方法上，国内的结构设计对软件的依赖程度更高。

很多工作多年的设计人员，大学时积累的力学功底经过数年工作已所剩无几。

国内的工程师一般都会非常佩服六七十年代的设计，因为那时没有计算机，一切都是手算，每个从那个年代走过来的老工程师的力学功底都很深厚。

国内的设计市场是一个相对比较封闭、自成一体的市场。

除了中国，其他国家很少有完全依赖软件从荷载汇集到结构内力分析，到设计配筋。

国外的设计中，重力荷载到汇集均为手算，涉及侧向力荷载（如风荷载、地震荷载）及间接作用，可用有限元软件进行内力分析，得到各个单工况的内力，
进行荷载组合，计算构件配筋，然后出图。

个人认为，国外的设计方法保证了较高的工程设计质量。

国内的设计方法过于粗放，不够精细。

4.3关于结构概念设计及构造规定
国内结构设计比较重视概念设计，这一点与日本和美国一样，走在了世界的前列。

良好的概念设计可以从总体上对结构可靠度提供必要保障，对工程经济性提前做好各种必要的优化。

国内对于结构设计的构造规定非常广泛，存在于各大主要规范中，尤其是抗震方面的构造规定，为结构安全可靠提供了最后一道防线。

各个规范中对于构造细节的规定仍然精细方面有所欠缺。

比如对于悬挑结构的受力钢筋锚固、端部加强、箍筋加密的规定，英国规范的规定使得结构更为安全可靠。

4.4 关于模型简化
模型简化与很多因素有关，最主要与软件基本假定，设计人员的个人理解，及结构实际受力情况三个方面。

这里主要提出一处异同，英国及香港的工程师一般情况将坐落于筏板基础的柱底认为铰接，而国内多认为刚接。

5 总结
结合国内外设计经验，并就国内外结构设计规范对比，国内外建筑结构设计存在一些异同点。

国外有着精细化设计的传统优势是值得我们学习的，而国内设计比较重视概念设计，并实施相对严格的构造措施为结构可靠度提供了保障。

注1：照片参见/special/00012700/sh090627.html
参考文献
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）.北京：.中国建筑工业出版社，2012
朱秉寅编著.《建筑结构设计问答及分析》.中国建筑工业出版社，2000
《恒载及外加荷载作业守则》.香港屋宇署.2011
Design and Construction of Cantilevered Reinforced Concrete Structures香港屋宇署.2012
BS6399.1 1996 Code of practice for dead and imposed loads.
Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures ASCE/SEI7-05.。