摘要： 本文首先對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計各個階段存在的問題進(jìn)行了分析, 進(jìn)而引入結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計, 以期在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案初選階段中得到更優(yōu)的方案。提出了一套更加完善的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系, 并對結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)用創(chuàng)新和審查制度進(jìn)行分析及提出一些建議。
關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計; 概念設(shè)計; 實(shí)用創(chuàng)新; 評價體系;
1 引言
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系非常重要, 不僅會直接決定施工成效, 還將影響施工和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計包括方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段。在方案設(shè)計階段, 引入概念設(shè)計, 將結(jié)構(gòu)的頻率和振型作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念設(shè)計指標(biāo), 進(jìn)而選擇出性能更加優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段, 進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計布置和保證設(shè)計質(zhì)量。本文針對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不同階段的現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了分析, 并提出了相應(yīng)的意見和建議, 以期為完善和改進(jìn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系提供一些參考和依據(jù)。
2 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題
2.1 方案設(shè)計階段
在方案設(shè)計階段, 設(shè)計人員通常只注重單一評價指標(biāo), 而忽略其他評價指標(biāo)的影響。例如, 以工程造價作為不同方案的比選標(biāo)準(zhǔn), 這將降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求和增大其造成的生態(tài)破壞影響。節(jié)約經(jīng)濟(jì)原則固然是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則, 但并非首要原則。一味壓縮工程成本, 使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足最低質(zhì)量要求, 成為了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中一種亂象。這樣設(shè)計出的結(jié)構(gòu)僅僅滿足基本的使用功能, 且后期的養(yǎng)護(hù)修復(fù)費(fèi)用較大, 潛在的安全隱患較大, 在遇到突發(fā)事件或自然災(zāi)害情況時, 沒有足夠的安全儲備, 造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如重慶綦江彩虹橋事件, 在橋梁設(shè)計初期即以工程造價來確定橋梁方案, 使得整個橋梁的經(jīng)濟(jì)成本被壓縮。由于工程造價的限制, 施工階段出現(xiàn)了相應(yīng)的偷工減料行為, 從而引發(fā)了重大事故。數(shù)十名過橋者經(jīng)過彩虹橋時, 橋梁突然整體垮塌, 過橋者隨大橋墜入橋下, 導(dǎo)致了人員傷亡, 同時引起了極大的社會影響, 這次事故共造成18名武警戰(zhàn)士和22名群眾的死亡, 造成了慘痛的教訓(xùn)。因此, 在方案設(shè)計階段確定出正確合理的方案, 是整體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的前提。
2.2 初步設(shè)計階段
在初步設(shè)計階段, 設(shè)計人員需要完成工程結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計布置, 是之后具體施工圖設(shè)計和工程施工的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前設(shè)計人員為了縮短設(shè)計周期, 常常采用套圖設(shè)計, 直接套用之前相似設(shè)計中的部分設(shè)計圖, 而未進(jìn)行適用性分析, 這必然使得整個設(shè)計存在缺陷。在工程結(jié)構(gòu)建成之后, 再對其進(jìn)行設(shè)計加固, 將大大增加了經(jīng)濟(jì)成本。如天津開發(fā)區(qū)泰達(dá)大街京山橋, 在初步設(shè)計階段未能進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計, 橋墩采用獨(dú)柱墩進(jìn)行設(shè)計, 使得京山橋的安全穩(wěn)定性受到影響。在京山橋?qū)崿F(xiàn)通車之后, 政府發(fā)現(xiàn)了設(shè)計缺陷, 進(jìn)行了雙柱加固處理, 不僅增加了工程經(jīng)濟(jì)成本, 同時對當(dāng)?shù)亟煌ㄔ斐闪擞绊? 更對人們對橋梁的安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑, 造成了社會不良影響。
2.3 施工圖設(shè)計階段
施工圖設(shè)計階段是整個工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的最后質(zhì)量關(guān)卡, 包括結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全驗(yàn)算、關(guān)鍵部位的構(gòu)造設(shè)計布置等。在施工圖設(shè)計階段, 設(shè)計人員需要對設(shè)計圖中的每個部位進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)算, 并查驗(yàn)其設(shè)計是否遵循相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn), 而目前還存在因設(shè)計人員疏忽大意, 或心存僥幸心理, 使得整個設(shè)計中存在部分不合規(guī)范要求的薄弱環(huán)節(jié)。一旦薄弱環(huán)節(jié)遭到破壞, 會引發(fā)相鄰結(jié)構(gòu)部位的破壞, 進(jìn)而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。如哈爾濱陽明灘大橋事故, 在施工圖設(shè)計階段中蓋梁設(shè)計存在局部承壓和抗剪能力的問題, 在一般荷載情況下, 蓋梁不會發(fā)生受力破壞。但在事故當(dāng)天, 幾輛大型運(yùn)送石灰的貨車排列行駛在大橋上, 形成單側(cè)連續(xù)荷載, 造成蓋梁發(fā)生壓剪破壞, 進(jìn)而引發(fā)橋墩傾覆, 造成3人死亡, 5人受傷。
3 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的完善與改進(jìn)
3.1 引入概念設(shè)計
在結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案比選階段, 引入結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計思想。由于方案設(shè)計階段不涉及荷載分析, 因此從結(jié)構(gòu)的整體剛度分布和局部剛度分布情況出發(fā), 在生態(tài)影響、經(jīng)濟(jì)成本、施工難度等方面相近情況下, 優(yōu)選選擇結(jié)構(gòu)剛度性能優(yōu)越的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
頻率作為結(jié)構(gòu)整體剛度的表征指標(biāo), 可通過結(jié)構(gòu)頻率的大小來衡量結(jié)構(gòu)的整體剛度性能。以底部固接的桁架結(jié)構(gòu)為例, 在保證桿件數(shù)量一定的前提下, 改變桿件的受力位置, 可實(shí)現(xiàn)改變桁架結(jié)構(gòu)的頻率, 即桁架結(jié)構(gòu)的整體剛度分布。由對比可知, 在桿件數(shù)量相同即經(jīng)濟(jì)成本相同時, 采用斜桿均勻布置的底部固接桁架基本頻率更高, 其抗側(cè)向變形能力更強(qiáng), 也表明其具有較好的抗震性能。
振型作為結(jié)構(gòu)相對剛度的指標(biāo), 是結(jié)構(gòu)的固有屬性, 結(jié)構(gòu)的振型特征將表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)任意荷載作用下的受力變形中。振型的特點(diǎn)是在沒有受力荷載, 僅知道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度情況下, 即可計算出結(jié)構(gòu)振型。通常情況下, 框架結(jié)構(gòu)在地震作用下表現(xiàn)為典型的扭轉(zhuǎn)破壞, 原因在于其結(jié)構(gòu)振型存在扭轉(zhuǎn)振型�？蚣芙Y(jié)構(gòu)模型的第三階振型一般為扭轉(zhuǎn)振型, 振型特征與框架結(jié)構(gòu)的破壞特征相一致。工程結(jié)構(gòu)都具有拉壓振型、彎曲振型等優(yōu)良振型, 將保證結(jié)構(gòu)具有良好的變形性能。因此, 利用振型的優(yōu)劣即可對工程結(jié)構(gòu)的變形性能進(jìn)行初步地評價。
綜上, 針對結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計階段, 引入概念設(shè)計, 將結(jié)構(gòu)的頻率和振型作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念設(shè)計指標(biāo), 進(jìn)而選擇出性能更加優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
3.2 完善結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系
針對當(dāng)前的方案評價體系中注重單項(xiàng)指標(biāo)的現(xiàn)狀, 應(yīng)試圖建立完善的評價體系, 進(jìn)而選擇出更加適合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。本文嘗試采用構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)量化評價結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不能以單一指標(biāo)作為評價指標(biāo), 需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo), 包括生態(tài)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、美觀指標(biāo)等。這就表明, 結(jié)構(gòu)設(shè)計體系合理評價的前提在于目標(biāo)函數(shù)的確定。利用專家打分制確定各個指標(biāo)的量化, 依據(jù)層次分析法確定最終的目標(biāo)函數(shù), 從而得到更加科學(xué)合理的評價體系。
在確定目標(biāo)函數(shù)之后, 需要進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)設(shè)計評價數(shù)學(xué)模型中的約束條件, 質(zhì)量安全作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一準(zhǔn)則和底線, 須作為整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中的硬性約束條件。由此構(gòu)建出了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案評價體系的數(shù)學(xué)模型。以斜桿支撐的框架結(jié)構(gòu)為例, 以結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟(jì)成本為評價指標(biāo), 通過改變斜支撐的位置來改變結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)能力, 進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的水平抗震性能;通過控制斜支撐的數(shù)量, 進(jìn)而影響整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)成本。由此, 以結(jié)構(gòu)的質(zhì)量滿足規(guī)范要求最為數(shù)學(xué)模型的約束條件, 通過求解數(shù)學(xué)模型, 即可確定斜支撐的數(shù)量和位置, 選擇出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
綜上, 依據(jù)科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型, 構(gòu)建了一套更加完善的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系, 從而確定出更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
3.3 注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)用創(chuàng)新
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新是一種實(shí)用創(chuàng)新, 是以“更好地為人們生活服務(wù)”為第一準(zhǔn)則的, 而不能是盲目地創(chuàng)新。為了所謂的政績和虛名, 浪費(fèi)人力和物力, 是毫無實(shí)際意義的。
中國現(xiàn)在還遠(yuǎn)未達(dá)到懸索橋最大跨徑的極限, 不能為了創(chuàng)造紀(jì)錄而不考慮經(jīng)濟(jì)因素。在武漢長江大橋上游和白沙洲大橋之間建立的楊泗港大橋, 與相鄰的武漢一橋的跨度極不協(xié)調(diào)。為了追求大跨徑, 楊泗港大橋采用一跨過江, 設(shè)置為1700m的懸索橋, 僅僅為了追求跨度創(chuàng)新, 大大增加了經(jīng)濟(jì)成本。若將其設(shè)置為2×600m的三塔斜拉橋讓上下行船只分孔通航, 就會更經(jīng)濟(jì)合理, 也更美觀。
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計作為實(shí)用性極強(qiáng)的行業(yè), 其目的是為了設(shè)計出滿足人們需求的結(jié)構(gòu), 而不是為了所謂的虛名, 浪費(fèi)人們的物力和財力, 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)用性創(chuàng)新將是未來結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的主流方向。設(shè)計人員不能因?yàn)榻趪鴥?nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展而使得創(chuàng)新方形進(jìn)入誤區(qū), 需將創(chuàng)新更多地投入到工程結(jié)構(gòu)實(shí)踐中。
3.4 嚴(yán)謹(jǐn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的審查制度
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的審查是保證工程結(jié)構(gòu)設(shè)計合理和質(zhì)量安全的最后環(huán)節(jié), 也是最為重要的環(huán)節(jié)。在初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段, 設(shè)計人員難免會存在疏忽, 造成工程質(zhì)量存在隱患。審查制度的完善和嚴(yán)謹(jǐn)并不意味著增設(shè)更多的審查門檻, 設(shè)置過多的審查門檻將會導(dǎo)致設(shè)計進(jìn)度的滯后, 同時對結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全保證并沒有顯著的提高, 且增加了更多的人力和物力成本。如何把控結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要節(jié)點(diǎn)才是審查制度的重點(diǎn), 對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)增設(shè)專門的復(fù)查制度, 并設(shè)置相互獨(dú)立的渠道按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)收, 從而把控整個結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的安全性。
因此, 嚴(yán)謹(jǐn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的審查制度是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系完善中不可缺失的重要環(huán)節(jié)。隨著工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷發(fā)展, 審查制度亦將隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展而不斷完善, 從而進(jìn)一步保證工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的合理性和安全性。
4 結(jié)論
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的完善和改進(jìn)是推動工程結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動力, 其重要性日益增加。本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計各個階段進(jìn)行了詳細(xì)分析, 針對當(dāng)前的問題和不足, 引入結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計, 以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計初選階段的不足, 期望在根源上解決結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的一些問題。進(jìn)而依據(jù)科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型, 提出一套更加完善的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的評價體系。在此基礎(chǔ)上, 對結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)用創(chuàng)新和審查制度提出了一些建議, 從而為完善和改進(jìn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計體系提供一些參考和依據(jù)。
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