建筑结构设计使用年限的几个问题讨论.docx

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建筑结构设计使用年限的几个问题讨论

建筑结构“设计使用年限”的几个问题讨论

1　“设计使用年限”的起源与作用

从本世纪初开始,我国建设工程的设计文件中开始标注“设计使用年限”。

这一概念起源于1997年4月1日我国颁布的《中华人民共和国建筑法》的第六十条：

“建筑物在合理使用寿命内,必须确保地基基础工程和主体结构的质量”。

第六十二条关于建筑工程实行质量保修制度的规定：

“建筑工程的保修范围应当包括地基基础工程、主体结构工程、屋面防水工程和其他土建工程,以及电气管线、上下水管线的安装工程,供热、供冷系统工程等项目。

保修的期限应当按照保证建筑物合理寿命年限内正常使用,维护使用者合法权益的原则确定。

具体的保修范围和最低保修期限由国务院规定。

”根据该法的规定,国务院2000年颁布了《建设工程质量管理条例》（以下简称为《条例》）,在第四十条中明确规定：

“在正常使用条件下建设工程最低保修期限为：

（一）基础设施工程、房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程的最低保修期为设计文件规定的该工程的合理使用年限；

（二）屋面防水工程、有防水要求的卫生间、房间和外墙面的防渗漏,为5年；

（三）供热与供冷系统,为2个采暖期、供冷期；

（四）电气管线、给排水管道、设备安装和装修工程,为2年。

其他项目的保修期限由发包方与承包方约定。

建设工程的保修期,自竣工验收合格之日起计算。

”

建筑物寿命是指从规划、实施到使用、毁坏的全部时间。

建筑物的合理使用寿命是指地基基础、主体结构、建筑附件、建筑设备等不同类别的使用寿命期。

在《条例》第四十条保修期的具体规定,我们不难看出,建筑附件、建筑设备的保修期限均在3-5年,说明它们的合理使用寿命较短,而基础设施工程、房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程的合理使用年限应由设计文件规定。

因为此类工程结构的使用寿命是其质量得以量化的集中表现,工程结构的实际使用年限或者说设计使用寿命应该是工程结构设计使用年限的预期目标。

根据《混凝土耐久性设计规范》条文说明,建筑物的主体结构设计使用年限在量值上与建筑物的合理使用年限相同。

建筑结构的设计使用年限虽然与合理使用年限源于相同的概念,但数值并不相同,合理使用年限是一个确定的期望值,而设计使用年限则必须考虑环境作用、材料性能等因素的变异性对于结构耐久性的影响,需要有足够的保证率,这样才能使所设计的建筑结构满足《建筑法》中规定的“确保质量”要求。

对于工程结构的设计使用年限的确定,设计人员应在工程设计前首先听取业主和使用者对于工程合理使用寿命的要求,然后以合理寿命为目标,确定主体结构的设计使用年限。

2003年建设部修订并颁布的《建筑设计文件编制深度规定》第3.5.2条中,要求建设结构设计文件必须明确“建筑结构的安全等级和设计使用年限、建筑抗震设防烈度和设防类别”。

这是我国自1949年解放以后,第一次以部颁文件的形式对建筑工程清晰地提出了“设计使用年限”这一概念。

同时,相关的法律法规明确了在工程的“设计使用年限”内各方责任主体对工程质量应承担的法律责任。

《条例》第八十条：

“在建筑物的合理使用寿命内,因建筑工程质量不合格受到损害的,有权向责任者要求赔偿”。

第四十一条中强调“建设工程在保修范围和保修期限内发生质量问题的,施工单位应当履行保修义务,并对造成的损失承担赔偿责任。

”第十九条中规定：

“勘察、设计单位必须按照工程建设强制性标准进行勘察、设计,并对其勘察、设计的质量负责。

”受过去计划经济年代长期影响,我国设计人员不太关注工程合理使用寿命,仅局限于照搬技术标准中的相关规定。

自本世纪以来,我国开始重视建筑结构的合理使用寿命,在2001年版的《建筑结构可靠度设计统一标准》第1.0.5条以强制性条文的形式明确结构的设计使用年限（如下表）。

从法律法规和技术法规中的这些条文规定,建筑结构在“设计使用年限”内若达不到工程质量要求或非正常使用维护而造成的工程事故,与工程相关的人员是应当承担起经济赔偿和法律责任的。

2　设计使用年限与设计基准期的区别

在我们的一些建筑工程设计中,采用上世纪80年代的相关技术规范,而在设计文件中表示的使用年限为50年,更有甚者将“设计使用年限”定为100年。

假若在设计计算和设计构造中,按照《建筑结构可靠度统一标准》xxxx-2001（以下简称为《可靠度标准》）进行了调整,这种表述无可非议,但在不做任何调整的情况下采用这种表述,说明这些工程技术人员对“设计使用年限”与“设计基准期”这两个概念的区别不清晰。

20世纪70年代,我国对建筑工程的使用寿命没有提出具体规定,只有在相关标准中提到了设计基准期的概念,而且其基准期仅为30年。

随着我国市场经济的发展和法律法规的不断完善,建筑市场迫切需要明确建筑工程的使用年限。

在我国2001版《可靠度标准》的修订中,借鉴国际标准ISO2394：

1998《结构可靠度总原则》,提出了各种建筑结构的“设计使用年限”的概念,并明确了“设计使用年限”是设计规定的一个时期,在这一规定的时期内,只需进行正常的维护而不需要进行大修就能按预期目的使用,完成预定的功能。

根据该定义,“设计使用年限”是结构在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所达到的使用年限。

设计基准期则是为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。

建筑结构作用效应或荷载效应的设计参数,即施加在结构上的直接作用或者引起结构外加变形、约束变形的间接作用,如结构承受的人群、设备、车辆,以及施加于结构的风、雪、冰、土压力、水压力、温度作用等。

我国现行《建筑结构荷载规范》将荷载或作用分为三类,即永久荷载（恒载）、可变荷载（活载）和偶然荷载（特殊荷载）。

其中,永久荷载在结构使用期间,其值不会随时间变化而变化,但可变荷载和偶然荷载在结构使用期间,其值随时间变化,特别是因自然条件引起的可变荷载和偶然荷载的标准值,它涉及到出现荷载最大值的时域问题,这个时域就是设计基准值。

我国1987年版《荷载规范》所提供的可变荷载标准值设计基准期为30年,2001年版《荷载规范》所提供的可变荷载标准值为50年。

一般情况下,基准期越长,发生最不利情况的概率就越大,可变荷载标准值必然提高。

若按30年设计基准期的标准荷载取值作为设计依据,工程设计文件中标注的“设计使用年限”远超过基准期,又未提高荷载取值,必然造成安全储备降低。

同时,“设计使用年限”远超过设计基准期,不是结构不能使用,但结构构件的失效概率将快速增大。

同时,我国规范对荷载组合的处理上,由于理论分析上的困难,一般假定抗力为随机变量,同时将多个荷载的组合效应近似简化为极值随机变量,这样可使可靠度的计算最终归结为随机变量函数的概率计算,而且荷载效应组合也可作为独立的问题进行研究。

在这种情况下,假如荷载取值的安全储备不高,甚至不在基准期内,那么必将导致组合后的荷载效应脱离实际效应,根据该组合得到的计算结果可能是错误的,甚

至在“设计使用年限”内存在安全隐患。

上述采用30年一遇的最不利荷载取值,而其设计目标使用期却为50年甚至100年,在“设计使用年限”内一旦遇上某种最不利情况下的自然灾害,也可能破坏或倒塌。

随着世界气候的变化,近几年来各种自然灾害频繁出现,导致房屋倒塌和破坏的事故时有发生。

在我国被暴风吹垮、冰雪压垮的房屋也不计其数。

以2008年的南方冰灾为例,当时的实际冰雪荷载远超过《荷载规范》提供的标准值,有些甚至高达2倍以上。

冰雪灾害压垮了数以万计的房屋,但同一地区,有些房屋仍保持完好,而有些房屋遭到破坏和倒塌。

在这些破坏和垮塌的房屋中,轻钢结构最多,而轻钢结构中,拱壳结构居多。

这说明了一个问题,即建筑结构安全储备的作用。

混凝土结构和砌体结构自重大,在计算时自重乘以荷载分项系数后的安全储备可以平衡一部分超出的冰雪荷载,而轻钢结构自重轻,即使乘以荷载系数也难以平衡所超出的冰雪荷载,故造成结构构件的倒塌破坏。

这些罕遇灾害造成房屋的倒塌,说明设计基准期内的设计参数是一个十分复杂的问题,存在较大的不确定性和不确知性,我国目前缺乏此类罕遇灾害的数据记录和积累。

因此现行规范中所提供的荷载标准值只是设计应用中必须把握的最低值,实际工程更需要设计人员结合工程的实际情况进行分析判断,才能确保建筑结构在设计使用年限内的正常使用。

在冰灾中轻钢结构破坏和倒塌严重的事实,更能告诫我们每一个从事建设工程的设计人员、施工人员应树立起对建筑物全生命周期的安全度的考虑,熟悉和了解我国现行技术规范中条文的真正含义和所要达到的目标。

3　使用年限内的耐久性

上世纪80年代以前,无论我国的标准规范,还是设计、施工、使用各方都把重点放在了为满足各种荷载作用下的结构强度要求上,而对环境因素作用下的耐久性考虑甚少。

随着我国经济建设的飞速发展和以往工程建设因忽视耐久性问题而造成的惨痛教训,特别是建筑工程中“设计使用年限”概念的提出。

建筑结构与构件的耐久性问题,已是一个不可回避的事实。

建筑结构的耐久性是“设计使用年限”内结构保持正常功能的重要因素之一,它与工程的使用寿命紧密相连。

本世纪以来,建筑界开始关注和重视建筑结构的耐久性问题。

2008年颁布了我国第一部《混凝土结构耐久性设计规范》（GB／Txxxx）,同时,现行有关建筑结构的技术标准均增加了结构构件耐久性的内容,例如,2001年版的《混凝土结构设计规范》增加了耐久性要求的章节,并根据各类建筑结构“设计使用年限”作出了相应的规定。

2001年版的《砌体结构设计规范》的修订中,为提高砌体结构的耐久性,上调了砌体结构材料的最低强度等级。

2008年版的《工业建筑防腐蚀设计规范》对建筑结构构件的防腐蚀措施要求更加严格。

但在我们实际工程的设计、施工中,对建筑结构耐久性问题的严重性和迫切性认识并非深刻。

以民用建筑为例,如岩土勘察忽视土壤、地下水等腐蚀性的分析。

即使岩土勘察做出了土壤、地下水对结构构件存在腐蚀作用的结论,而设计人仍未采取相应防腐措施。

又如,混凝土结构的钢筋保护层不按“设计使用年限”和使用环境的规定进行设计和施工,不到几年,混凝土炭化、钢筋锈蚀,更令人费解的是有不少的混凝土结构工程,结构构件出现可见裂缝的现象十分突出,特别是某些露天结构、地下结构修建不到几年,裂缝四处可见,钢材锈迹斑斑。

但人们都在用一句“混凝土结构是带缝工作的”的话搪塞着。

工程院院士陈肇元教授在《完善标准、法规,确保建筑物的合理使用寿命》中提到“保护层与寿命的关系是平方的关系,保护层厚度减小1／2,钢筋的寿命就会减小1／4”。

保护层厚度对钢筋寿命的影响如此之大。

更不用说混凝土结构构件产生了超过一定宽度的裂缝,使得钢筋寿命大幅度缩短,甚至可能导致结构丧失承载能力。

再如,目前建筑节能的外墙保温体系,不少人靠低标价承接工程项目,而采用偷工减料的方法施工,这必然导致保温层的使用周期与建筑物全生命周期不一致等问题,从而影响建筑结构的耐久性安全。

如此种种降低建筑结构耐久性的现象,使人不无忧虑。

有专家估计,我国“大干”建设的浪潮还可延续10多年,由于忽视耐久性,迎接我们的还有“大修”20年的浪潮,这个浪潮可能不用很久时间就将到来,其耗费等同于当时工程建设的投资。

随着世界气候环境的恶化,我国遭受酸雨侵蚀的面积已超过国土面积的30％,废气、废水在四处排放,下雪、冰冻无处不在对建筑结构产生腐蚀作用。

同时,我们又处在住宅建筑私有化,人们法律意识不断增强的大背景下,

“设计使用年限”内因耐久性问题引发的各种法律责任的追究终究会表露出来。

我们工程设计人员应对建筑结构的耐久性引起高度关注,不要成为“买单者”。

4　“设计使用年限”内的适用性

在“设计使用年限”内,建筑结构保持正常工作能力,除它的安全性、耐久性外更多的应体现在它的适用性上。

但当人们谈到其适用性时,总认为是建筑的平面功能、交通功能、舒适功能等,却忽视了建筑结构的适用性问题,当人们以专业的视觉去观察我们现已使用的房屋建筑时,就不难寻找到因建筑结构的质量问题给房屋功能带来的危害。

以下将通过几个例子加以说明。

例1　某商住楼,设计耐火等级为二级,《防火规范》要求楼面板耐火极限为1.0h,而设计的楼面板采用了预应力空心板,其耐火极限值仅为0.5h,在一次火灾中,楼面板在很短时间被大火烧断。

造成房屋整体倒塌,伤亡惨重。

随着我国城镇化的推进,城市建筑在不断的发展,火灾也在频繁地发生,严重威胁着人民的生命财产安全。

我国现行的《防火规范》的指导思想十分明确,在火灾发生时,一是要能保证受灾人员在一定时间内逃离火灾现场,二是保证消防人员可以进行有效的救援措施。

因此在我国现行的设计防火规范中,将房屋建筑分为厂房（仓库）、液体和气体储存库、可燃材料堆场,民用建筑（多层建筑、高层建筑）几大类,按建筑物重要性又将建筑分为四个耐火等级,即一级、二级、三级和四级。

在我们的设计文件中一般要标注建筑物的耐火等级。

在正常设计情况下,结构构件的燃烧性能和耐火极限应与其整个工程的耐火等级相匹配,这样才能使房屋结构在火灾情况下提供可靠的支撑空间。

假若房屋发生火灾后,房屋的主体结构在很短时间内就破坏倒塌,就没有一定可供受灾人员疏散和消防人员施救的时间。

这说明该建筑不能达到预期的极端情况下的正常使用要求,同样也不满足在“设计使用年限”内的适用性要求。

在上述问题中,有不少二级耐火等级的商住楼采用了预应力空心板,其预应力板的保护层厚度仅为10mm,其耐火极限为0.4h,即使加上顶部抹灰20mm,其保护层厚度算30mm,耐火极限还只有0.85h,而规范规定的耐火极限为1.00h,两者应有较大差距。

水火无情,应引起我们每一位结构工程师的重视。

例2,楼梯梯口梁碰头现象在不少公共建筑、住宅建筑中时有发生。

由于作者个头较高的原因,经常被同行所“害”,碰得晕头转向。

倘若有一天,因此而造成人员伤亡的事故,设计者是应该承担法律责任的。

在我国现行的《民用建筑设计通则》第6.7.5条中规定：

“楼梯平台上部及下部过道处的净高不应小于2m,梯段净高不宜小于2.2m”。

该条款列入了2003年版的强制性条文。

虽然在2005年版的《通则》中没有列入强制性条文,但规范条文中以不小于2m作为强制规定。

我们的设计人员应从适用性角度去严格遵守。

例3　屋面、地下室的漏水现象突出。

市面上有不少大篇幅、多视角的论述防水问题的专业著作、杂志论文,它们都说明了屋面、地下室等渗漏水现象会严重影响房屋建筑的正常使用功能。

究其原因,不是我们现有技术不能解决,而是那些渗漏水的建筑工程在设计、施工或维护使用中的某个环节出现了质量问题。

但凡渗漏水的混凝土结构工程,其结构或者构件一般存在可见裂缝,且裂缝的宽度和深度已超出了我们现行规范的规定。

这些裂缝是质量问题的表现,应由相关责任方承担其责任。

例4　建筑结构体系设计粗枝滥造,“乱栽柱、乱放梁”。

有些业主为解决停车问题要修建多层地下车库,而设计者只顾设计方便,柱网布置极不合理,使业主虽然投入大量资金,但可停车的数量却不多,性价比极低。

又例如有些设计人员缺乏精心设计,在住宅客厅的上方乱放大梁,使得客厅净空不到2.3m,最后业主还不得不花钱把梁掩盖起来。

百年大计,设计人员应该要以严肃认真的态度对待设计中的每个细节,否则像上述问题既造成了资金的浪费,还严重影响了建筑物在“设计使用年限”内的基本功能。

若按照相关法律,使用人应有权力进行法律追究。

在人们提倡“和谐社会”的今天,我们从事建筑结构的工程技术人员应考虑到建筑与环境的关系应以“人与自然共生”、“人与社会共生”作为基本出发点,除了确保建筑结构在设计使用年限内的安全性和耐久性外。

同时应该高度重视建筑的适用性,体现国家、社会和民众的根本利益。