可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系研究_金伟良

可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系研究

金伟良1,钟小平1,2,胡琦忠1

(1.浙江大学结构工程研究所,杭州310058; 2.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225009)

摘要:以结构全寿命周期为研究时域,运用结构全寿命设计的新理念,构架了工程结构全寿命设计的目标体系,并从目标体系出发,结合工程结构的特点,分析了设计中结构性能、成本、使用寿命的内涵及相互关系。在综合众多影响因素的基础上,构建了工程结构全寿命周期设计理论的研究框架,确定了工程结构性能指标、经济指标及时间指标在全寿命设计理论体系中的核心地位,提出了基于性能设计的耐久性极限状态设计新理念,并分析了性能极限状态所具有的特点。

关键词:结构全寿命周期设计理论;目标体系;指标体系;寿命周期成本;结构性能;使用寿命

中图分类号:T U318 文献标识码:A 文章编号:1672-2132(2010)增刊-0401-06

0　引言

工程结构的完整周期包括规划、设计、施工、运营、老化及废除各个阶段。可持续结构工程就是要求结构在设计中涵盖上述各个环节,并体现生态环境可持续性、经济发展可持续性和社会文化可持续性。而现有的结构设计方法,无论是容许应力法、极限状态法、还是可靠性方法,主要针对的是施工完成后的结构状态,也就是仅体现了结构设计这一个环节。可见,现行结构设计理论已不能满足建造可持续发展工程的需要。为了使新建工程结构的全寿命性能(安全、适用、耐久、经济、美观、生态等)达到最优或优化,最终实现可持续结构工程的目标,避免以牺牲人类的可持续发展为代价来获得眼前的利益,应将工程结构的设计时域拓展到结构的整个寿命期内,即对工程结构实施全寿命周期设计。

一般工程结构在使用荷载、环境因素以及材料内部因素的作用下,结构的性能逐渐下降,可靠性降低,最终导致结构使用寿命缩短。因此,对各类土建工程结构耐久性问题的研究,是整个社会可持续发展的重要组成部分。结构工程所耗费的能源和材料数量巨大,不断扩大的建设规模不仅破坏生态、污染环境,加剧了自然界的负担,使有限的资源面临枯竭的危险,同时由于耐久性不足而引起的检查、维修和加固等费用也为社会的进一步发展增添了巨大的负担。因此,以美国为首的一些国家,率先在建筑领域提出了工程结构“全寿命经济分析”(life cy cle co st analysis,LCCA)的概念,也称做“寿命期成本分析”[1-5]。美国ISO标准(Standard15686)对“全寿命经济分析”给出的定义是:“它是工程项目费用的评估方法,旨在优选、对比实现寿命目标的不同措施。即包括初建成本也包括之后的一切运行、维护费用”。LCCA法既是政府法令,又是工程投资的评估、计算方法。设计、工程承包和投资方都要以“全寿命”为出发点,为保证规定的工程使用年限,采取技术、经济合理的战略措施。我国基础设施建设正处于高潮时期,国家必然将相当数量的资源放在基础设施的建设和维护上。因此,工程结构实行全寿命周期设计将产生巨大的社会、经济价值,其意义也更为深远。

1　工程结构全寿命周期设计目标体系

工程项目的价值是通过建成后的运营实现的。没有全寿命期的目标会导致建设项目全过程的不连续性,造成项目参加者目标的不一致和组织责任的离散,不关注工程的可维护性和可持续发展能力。因此,工程结构实施全寿命周期设计,首先必须从“全寿命”的角度出发,建立工程结构全寿命周期设计的目标体

第30卷增刊2010年9月

防灾减灾工程学报

Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering

V ol.30Suppl.

Sep.2010

收稿日期:2010-05-28;修回日期:2010-07-03

作者简介:金伟良(1961-),男,教授,博导。主要从事工程结构可靠性理论与应用的研究。Email:jinw l@

系。目标体系的建立应能够反映结构在整个寿命期间的要求,既要考虑当前的利益,又要考虑后期的风险,既要重视结构建设的初始造价。又要考虑到寿命周期内所需的费用;既要考虑节约资源,又要保证工程质量,同时还要兼顾对环境、社会造成的影响以及可持续发展的需要[6]

。按照上面的要求与思路,综合国内

外对全寿命周期工程项目目标系统的研究成果[7]

,本文将工程结构全寿命周期设计的目标体系分解为两

部分:一是核心目标;二是绿色目标。

(1)核心目标:核心目标包括三部分,即质量可靠目标、经济优化目标和时间优化目标。三大核心目标各自又有丰富的内涵,如图1

所示。

图1　工程结构全寿命周期设计目标体系构成

质量可靠目标、经济优化目标和时间优化目标构成了工程结构全寿命周期设计目标体系的基础,反映了人们对工程设计现实性的思维。质量、经济和时间优化目标之间的内在联系十分复杂,追求较高的质量可靠目标,可有效地延长结构的使用寿命,提高结构全寿命的收益,但也必然会增加结构全寿命成本的投入;追求费用的最优化,必须确知各项时间指标,且须以工程结构的质量可靠为前提;追求各项时间指标的优化,其实质是在工程结构质量可靠的基础上追求经济的最优化。因此,工程结构全寿命周期设计研究的基本目的就是要科学地认识质量、经济(费用)、时间三大核心指标之间的内在联系,以找到合理的平衡点,从而有效地处理它们之间的关系。

(2)绿色目标:绿色目标主要有用户满意目标、社会及环境目标以及可持续发展的目标。

用户满意目标是使与工程项目发生各类关系的不同群体,如用户、投资者、业主、承包商及供应商、政府、以及周边人群等,在各方面利益达到一定的平衡,使各方面满意。

社会及环境目标是指工程项目在建设、运营及废除的过程中对社会及生态环境应有良好的、正面的、积极的影响。如注重工程项目对公共团体、社会文化、风俗习惯、宗教信仰、历史、政治、法律、当地风气以及公众美观性欣赏等的社会性影响;在工程结构的寿命周期内不产生环境污染,符合法律规定的环保指标;保持健康的生态,如防止植被的破坏,水土流失,动植物灭绝等;节约使用自然资源,特别是对不可再生的资源,如土地、水、矿物资源等。工程项目作为人们改造自然的行为,它的过程和最终结果应与自然融为一体,互相适应,和谐共处。

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　防灾减灾工程学报第30卷