浅谈结构的全寿命维护与设计_赵培英

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开展面向环境 设计的 主要 目标是 为了 满足 建筑结 构物 在整个寿命周期 内可 持续发 展的 要求, 为 建筑 设计提 供设 计理念和方 法. 其主 要内容 包括 能源经 济设 计、施工 和使 用过程中环 境负荷 计算、回 收再 利用设 计等。出 于回 收利 用考虑, 对建筑结构体系及其组 件和材料有 选择性地拆 除, 就可以在建 设、改造 和拆 除过程 中, 减少 废物 的产 生。因 此, 建筑设计的 环境 效益就 体现 在如下 方面: 对 当地 环保 型原材料 的选 择, 在 使 用过 程中 的 高耐 久性 和 易保 养 性, 施工废物的回收 利用, 以 及拆 除后对 结构 组件 和材料 的最 终回收等。对于 只有 很短或 一般 使用寿 命的 结构组 件, 如 栏杆等, 最重要的就是易组装性 和易回收性。 11 415 监测、养护与维修设计
为了实现良 好的房 屋结 构生命 周期 质量, 需 要对 房屋 合理的使 用寿 命 设计 和规 划, 确 保 其寿 命满 足 使用 要 求; 必要的美学设计 以满 足人们 对建 筑的美 学和 景观要 求; 性
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能设计以满足建 筑的 功能要 求; 同时 还要 考虑 建筑对 环境 生态的影响, 并 在设 计时考 虑未 来的监 测、养护 与维 修需 要, 对监测、养护 与维 修方案 进行 设计。在 所有 项目 的设 计中, 要得到最 优的 设计方 案, 必须 对每 个设计 方案 的各 个设计项目和环 节进 行成本 分析, 比 较整 个生 命周期 的总 成本 ( 包括财 务成 本和 环境 成本 ), 从 而确 定最 优方 案。因 此, 建筑全 寿命 设 计可 概括 为 使用 寿 命设 计, 美学 设 计, 环境生态设 计, 性能 设计, 监 测、养护 与维 修设 计及 成本 分析等六大设计过程 的设计。
文章编号: 1672- 4011 ( 2010) 06- 0034- 03
0前 言
长久以来, 工程师倾向于 关心每个产品 的全寿命 评估。 例如: 计算机工程 师开始 考虑 他们的 产品 使用 寿命终 结之 后的问题, 因为很多电子产 品使用不到 10年就 被扔掉, 这 是一个很严 重的环 境问 题。类似 地, 结构 工程师 也开 始考 虑房屋和其 他结构 的全 寿命 周期。每个 世纪, 工 程师 都会 面临新的挑战。 19世纪, 工程师发现在修建大跨径桥 梁时, 使用如铸铁、钢材 一类的 材料可以 提高 效率; 20 世纪, 工 程师了解到建筑在 维修上 的费 用通常 要比 最初 的建设 费用 还要高, 就考虑怎样把有效率 的维修也作为 设计的一 部分, 为此, 工程师研究 了新的 设计方法 ; 21世纪, 工程师 开始 考虑大型结构物的全寿命周 期设计, 从最 初的设计、 运营、 到结构物使用寿命的 结束。工 程师现在必须 注意的问 题是: 怎样设计使结构 物在 使用寿 命结 束后影 响最 小。要解 决这 个问题, 还要考虑不同设计方 案的经济、环境和社会效益。
而作为新设计理念 的建筑 结构 全寿命 方法 考虑 房屋建 设的 所有方面, 从 规划、设 计、施工 和使 用期 管理, 一直 到拆 除和材料的 回收。为 了可持 续发 展, 需要 把传统 的短 期方 法拓展到建筑的 整个 生命周 期, 考虑 建筑 整个 设计寿 命内 各种性能指标, 对所有可行方案 进行优化。 11 2 概 念
1 结构全寿命设计与维护理论
11 1 研究的意 义 近年来, 国内 外大量 在役 建筑出 现的 病害 严重、 使用
性能差、耐久 性低、服 务寿命 短等 问题, 促 使建 筑界 对传 统的结构设计理 念进 行反思, 提出了 结构 全寿 命设计 的新 理念。 传统设 计方法是 基于现 状的设 计 ( D esign fo r the M om ent), 以房屋在 施状态 时的 安全 性为设 计依 据, 而忽 视其 正常使用寿 命的 保证 )) ) 耐久 性、可 修性 和可 换性; 在经 济指标方面仅考 虑初 始建设 成本, 不 考虑 运营 阶段的 养护 维修费用。全寿命 设计理 念将 设计的 时间 参数 拓展到 结构 的整个生命周期 (规划 v 设计 v 施工 v 使用 v 拆除 /倒塌 ), 统筹考虑设 计、施工、运 营和 管理各 个环 节以寻 求恰 当方 法和措 施, 使建 筑的 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。 该设 计理 念对 于提 高建筑的耐 久性和 使用 性能、降 低全寿 命总 成本、促 进建 筑技术水平的进步, 具有现实 意义。
图 1 桥梁全寿命设计的总体性能要求
11 3 主要阶段 传统的建 筑工 程 基本 建设 项 目一 般采 用 两 阶段 设 计,
即初步设计和施 工图 设计。对 技术上 复杂 而又 缺乏经 验的 建设项目, 或建 设项 目中遇 到的 特殊情 况等, 必 要时 采用 包括技术设计的 三阶 段设计。 而根据 建筑 结构 全寿命 设计 的思想, 房屋从 投资 规划开 始就 已经进 人设 计阶段 了, 因 此, 房屋结构全 寿命 设计一 般可 分为工 程可 行性研 究、初 步设计和施 工图设 计三 个阶段。 其中, 工 程可行 性研 究是 对项目建设 的必要 性、技术 可行 性、经济 合理性 和实 施可 行性进行综合性 研究, 从 而针 对项目 建设 的目 的确定 工程 的功能和使用寿 命, 分析 环境 因素对 房屋 结构 后期可 能产 生的影响, 进而初 步确定 为保 证建筑 的使 用寿 命所必 须进 行的性能设计 (尤其是耐久性设计 ), 明确运营阶段管、养 以及可更换件估 算指 标, 进行 基于全 寿命 设计 的投资 估算 和经济评价。需要指出的是, 在 此暂不考虑 技术设计阶 段, 在需要技术设计 时, 可开 展房 屋结构 全寿 命设 计方面 的某 些专题研究。 11 4 主要设计过 程
在有效利 用建 筑 全寿 命设 计 过程 的 潜在 效 益过 程 中, 美学设计起 着决 定性 的作用, 对于建 筑的 经济、环 境、美 学、功能以及 技术质 量有 重要 的影响。事 实上, 从建 筑规 划设计的开始, 功 能方面 的造 型与视 觉方 面的 造型就 需同 时考虑, 而 且美 学设 计 应贯 穿于 结 构构 造设 计 的全 过 程。 也就是说, 建筑 结构 设 计是 构造 设 计和 美学 设 计的 综 合, 通过两者的结合, 可以最 大限度地实 现功能、技术、经 济、 美观等全寿命设 计的 总体性 能要 求。建筑 美学 设计在 满足 功能要求的 前提下, 应选用 最佳 的结构 形式, 结 构造 型和 谐, 有良好的 比例, 并 且有秩 序感 和韵律 感, 结 构各 构件 材料的选取、表 面的 质感和 色彩 的运用 要与 环境 协调。因 此, 建筑美学设计 的内容 主要 包括建 筑造 型设 计和建 筑景 观设计。建筑结构 设计中 对美 观方面 的考 虑不 能仅仅 局限 于感性的层 面上, 只 有进行 理性 的、系统 的造型 和景 观设 计, 并与结 构设 计 有机 结合, 才是 完 美 的建 筑 结构 设 计。 建筑造型设计包 括力 学性能 和形 式构成 两方 面。从整 体布 置到细部构造, 建 筑造型 设计 力求在 不同 层次 上达到 形式 与功能的融 合, 表现 力与美 的统 一。根据 设计概 念和 环境 的特点、建筑 设计条 件, 确定 最主 要的构 型, 其 他构 型以 之为基调进 行配 合, 做到 有重 点、有突出 。通过 必要 的整 合形成造型单元 后, 即可 进一 步在全 范围 内结 合结构 性能 进行变化扩 展。建筑 设计 是否 合理, 是否 赏心 悦目, 除了 满足功能外, 就在 于建筑 本身 的韵味 及其 与环 境相处 的艺 术。建筑造型中 的协 调问题 归纳 为建筑 与环 境的 协调、建 筑本身的协调两大类 。景观建 筑设计主要由 建筑结构 形式、 周边环境和景观 特征 确定, 其 主要内 容为 确定 景观设 计方 针, 对景观设 计项目 进行 设计, 色 彩、照 明设 计, 以 及通 过景观评价对景 观设 计方案 优化。贯 彻景 观设 计始终 的关 键是景观设计方针的 确定。
传统的建筑设计程序将房 屋建设的各个 阶段分开 考虑, 只关注建设阶段, 设计工 作的 重点主 要集 中在 施工阶 段对 施工成本和短期 性能 的优化, 其首要 目标 是在 建设期 间优 化效率和使成本 最低。传 统的 建筑设 计理 念和 建管体 制是 目前建筑出 现耐 久 性问 题和 达 不到 设计 使 用寿 命 的关 键。
建筑结构全 寿命设 计是 建设环 节中 重要的 一环, 它将 业主、使用者 和 社会 的 需求 转化 为 技术 体系 的 性能 要 求, 建立并优化结构 方案 以实现 这些 需求, 并 最终 通过分 析和 计算, 证明在整个 设计使 用寿 命周期 内确 实能 够实现 这些 需求。因此, 结构全 寿命 设计 也称为 房屋 结构生 命周 期设 计, 可定义为从建 筑 结构 规划、 设计、 建设、 运营、 管理 和养护的各个环 节来 寻求恰 当方 法和措 施, 以 满足建 筑结 构全寿命周期的总体性能最优 (使用 性能、经济性、人 文、 生态等, 如图 1所示 ) 的设计理念和方法。
设计理念进行反思, 提出了结构全寿 命设计的新 理念。全寿
命设计理念将设计的时间参数 拓展到结构的 整个生命 周期,
统筹考虑设计、施工、运营 和管 理各个 环节 以寻 求恰当 方法
和措施, 使结构的全寿命性能达到最优或优化。
关键词: 建筑结构; 全寿命周期; 维护与设 计
中图分类号: TU 20
文献标识码: B
11 413 性能设计 在性能设计 过程中, 主要的 工作 有结构 体系 和组 件的
功能设计, 在使 用中 或未来 变化 时的灵 活性 设计, 结 构详 图设计, 耐久 性设计, 施工 方案设 计, 其 他安 全、健 康方
面的设计, 以 及一些 特殊 情况如 大风、大 雾、暴 雨多 发地 区的设计等。为 了确 保良好 的建 筑生命 周期 质量, 必 须对 建筑使用中和未 来可 能的变 化进 行预测, 同时 在设计 中采 取各种灵活性措 施, 而不 至于 在未达 其使 用寿 命时就 已经 陈旧、过时。详图设 计的 主要 任务是 确保 在施工 过程 中实 现确定的目标与要求, 并把它们 贯彻于建筑 整个寿命周 期。 这意味着建 筑必须 具备 可建造 性、适用 性和 耐久性 , 可以 对它进行养 护和维 修, 最终 可以 拆除, 产 生的废 物可 以回 收或处理。设计工 作需要 保证 技术体 系在 整个 设计使 用寿 命内的性能 和耐久 性。为此, 耐久性 设计 方法则 显得 至关 重要, 需要在计算 中引入 时间 因素把 抗力 设计 扩展为 耐久 性设计。为了确 保建 筑设计 方案 的可行 性, 必须 在设 计阶 段就考虑与 设计方 案相 应可行 的施 工方 法, 为此, 建 筑结 构设计人员需要 与有 经验的 施工 人员合 作, 初 步确定 可行 的施工方案。 11 414 环境生态设计
11 411 使用寿命设计 结构设计人 员需要 与业 主合作, 规划建 筑的 使用 寿命
周期, 并对各种 可能 设计方 案使 用寿命 周期 优化。根 据业 主与用户对建筑使用 寿命需求, 确定建筑设 计寿命的 目标, 将建筑的各构件 分成 不同的 目标 使用寿 命类 别, 再确 定建 筑在设计使用寿 命期 内各构 件必 须更换 的次 数, 并通 过对 各种使用寿命规 划方 案的成 本的 比较进 行设 计的 优化, 在 建筑结构中, 一般仅 主体 结构 如柱、主 梁、次 梁、板 和下 部结构的基础等被 设计成 为能 够抵抗 设计 使用 寿命内 发生 的性能退化, 而 那些 只有较 短设 计使用 寿命 的部 件, 特别 是楼面铺装、 吊索、伸 缩缝、支 座等, 则可 能在 设计 使用 寿命内需要多次更换 。 11 412 美学设计
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赵培英 1, 胡玉珠 2, 姜红宾 1, 钱俊豪 1
( 11成都建筑材料工业设计研究院有限公司, 四川 成都 610021; 2. 中国中铁二院, 四川 成都 610031)
摘 要: 近年来, 国内 外大量 建筑病 害严重、使用 性能 差、耐久性低、服务寿命短等问 题, 促使建 筑界对传 统的结构
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