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我国建筑钢结构设计软肋面面观

来源:建筑时报 发布日期:2012-02-29 10:52:23 查看次数:
【九正建材网】 提高我国钢结构设计行业管理水平,提高设计队伍的素质,是改变这种局面的**途径。不可否认的是,当前我国钢结构设计领域在建设体制、设计体制和设计理念、设计水平和质量、人员素质等诸多方面都还存在各种尚待解决的问题。

一方面是一大批大跨度及高层钢结构项目的建设使我国钢结构的设计水平得到很大提高,另一方面是一些重大项目基本上仍由国外设计,其中不少项目结构方案不够合理,用钢浪费大,不符合中国国情。这就是我国目前钢结构建筑发展面临的矛盾。造成这些矛盾的因素是多元的,既有政策导向、发展思路方面的原因,也有行业管理体制和技术发展水平的局限。

近些年来我国建成或正在建设的一大批大跨度及高层钢结构建筑项目,使我国钢结构的设计水平得到很大提高。一些由我国自行设计的项目如361米跨度的斜拱马鞍形网壳——南京奥体中心,122米索承网壳—济南奥体中心等工程,都是建筑方案新颖,结构受力合理,节省钢材,是符合我国国情的好作品。但与此同时,当前各地一些重大项目,从政府主管到建设单位仍基本上倾向于委托国外设计,其中一些项目结构方案并不合理,一味强调造型新奇怪异,致使结构用钢量过大,施工难度高,造价惊人。

提高我国钢结构设计行业管理水平,提高设计队伍的素质,是改变这种局面的**途径。不可否认的是,当前我国钢结构设计领域在建设体制、设计体制和设计理念、设计水平和质量、人员素质等诸多方面都还存在各种尚待解决的问题。

有资质不干,无资质蛮干

从体制上分析,资质管理缺失,设计项目层层转包,是造成设计质量下降的重要因素。

设计项目层层转包主要表现在:当前各大设计院企的设计任务相对饱满,所承揽项目的工艺及综合专业部分设计收费较高,而钢结构部分不但难啃,费工费力且收费又偏低。故此一些院企要么是缺乏钢结构的设计经验,要么就是不愿意承接钢结构设计任务,往往将钢结构部分分包给另一单位。如山东某体育馆,原为北京某大设计院设计,后将钢结构部分转包给厦门一家设计院,此院苦于不会设计又将钢结构部分包给某高校。经专家审查后发现,该设计方案、计算模型、抗震理念均存在大量问题。

层层转包的另一表现为借用“资质”或者叫“买图标”。一些无资质的单位,凭借关系拿到工程后,买图标搞设计,非常容易使重大隐患埋设于设计质量之中。目前我国对设计质量的管理尚缺乏相应法规,缺乏严格的检查和监督机制,近年出现的多项倒塌事故多与设计质量有关,深查后又发现与资质管理有关。

方案我来做,深化我不管

设计院将设计任务转嫁给加工企业,致使设计深度不够,也是造成设计质量下降的因素。

有些设计单位钢结构的设计水平较低,一些承担工程的设计人员虽有专业学历和学业功底,但缺乏实践经验,更缺乏钢结构的设计知识,盲目照搬规范,套程序,对关键技术不进行研究,对自己所设计的效果心中没底,只能给出“构件布置图”就算完成了任务。而有些布置图只是一个简单的单线条图,对关键的 “节点设计”不分具体情况往往一律采用“全焊接节点”或“全铸钢节点”,至于这种节点是否安全,构造是否合理,是否能够实施加工一概不知,将“节点构造”、“支座详图”、“施工安装”等设计内容都交给加工企业了之。这样设计院等于只做了“方案设计”或初步设计,深化施工图的任务则交给了加工厂。一般加工厂缺乏计算软件,只得又将施工图任务转包出去。这些分包单位由于缺乏专业配套知识,对设计总体要求不明确,往往所做出的图纸不符合原设计要求,存在严重的质量隐患。有的加工厂为了节约钢材,降低造价,盲目进行钢材优化,结果造成工程质量事故,如某国家重点工程“优化”后造成杆件太小,致使施工过程中数百个杆件失稳,给工程造成重大损失。“施工图设计”由设计院完成,这是我国建设主管部门早有规定的,也是设计院义不容辞的责任,施工图设计必须满足设计深度的要求,“施工图设计”、“深化设计”职责不清,互相扯皮的情况应立即得到纠正。

照搬洋设计,缺陷不敢言

由于自身底气不足,对国外设计方案只能照抄照搬,对不合理的方案往往也不敢提出挑战,是造成“洋设计”尽管有缺陷也照样横行的原因。

当前许多重大钢结构工程都采用了国外的建筑方案,但其中一些结构方案很不合理。由于国外结构工程师对我国地震和风荷载的特殊情况了解得不深,故设计方案在抗震设计方面很不合理,如“鸟巢”采用的钢结构屋盖和砼看台完全脱开方案,几万吨的巨大钢桁架所产生的地震荷载由钢结构柱传至柱底,而数千吨的巨大柱底水平力由与看台基础脱开的巨型钢柱脚传递,结果造成用钢量达到五万吨,相当同类体育场用钢量的四倍,这是抗地震设计极不合理的方案。如将数万吨的钢结构产生的地震力传给砼看台,可以减少大量的钢材,在保持原建筑风貌不变的情况下,可使庞大笨重的钢结构减少钢材用量两万多吨。又如“深圳大运会体育场”采用的单层折板网壳方案,也是采用了网壳与看台脱开的方案,由于大跨度单层网壳结构刚度太差,体系太柔,在风荷载作用下,远远超出规范的要求。在这一工程上,经过我国设计师卓有成效的挑战,对国外网壳方案增加了“肩谷环”处理,使结构水平位移减少了近一倍。“新中央电视台”采用了双向倾斜、悬臂对接的结构形式,严重不规则、严重超限、大体量悬臂、巨大的自重使得结构特别不利于承受地震作用,是抗地震设计极不合理的方案。为满足抗震设计要求,耗钢达到 12万多吨,创造了我国单体建筑工程用钢量之**,也创造了世界建筑工程“疯狂用钢”的奇迹。

纸上我谈兵,现场你犯难

由于设计与施工的脱节,设计根本不考虑或未能充分考虑施工,这给施工带来极大困难。

我国的一些设计人员,整天埋在办公室的图纸堆里,理论脱离实际,不深入现场,不了解施工,自己的设计方案能否施工心中没底。这种脱节情况严重的会给施工带来极大困难,总的造价大量增加。如某工程设计要求屋盖**后合龙的温度为14℃±4℃,但工程合龙时正值盛夏,中午时钢材表面温度达到55℃,为满足合龙的温度要求,甚至提出“深挖井、添冰块、喷冰水”的局部降温方案,方案如果执行,不但耗费大量人力物力,其效果也是不堪设想。又如当前许多重大钢结构工程都采用全焊接结构,由于结构体系复杂,构件异型,相交于节点的杆件太多,大量的高空不同方向的对接必然会出现安装偏差太大。为此常常采用强制构件就位的措施,结果造成杆件产生很大的施工应力。作为设计者,必须考虑这些不利因素对设计承载能力的影响,另外设计者还应该懂得焊接工艺,研究减少焊接内应力的措施,否则由于焊接工艺不当使结构产生很大的焊接内应力,降低结构安全度。

“保守”增效益,“超前”也为钱

“保守”与“超前”本是两极,但为利益驱动,钢结构设计人员时而过于保守时而过于“先进”,都会造成不恰当任意提高设计标准或降低设计安全等级的情况。

一些设计人员由于对复杂工程缺乏经验,心中无底,盲目追求高标准,造成设计过于保守,任意加大安全等级,对结构构件不分主次,重要性系数取值任意加大,杆件“应力比”取值太低;焊缝等级不分区别一律取一级全熔透焊缝,钢材等级不分使用条件和部位也一律取c级或d级,钢材强度级别不管是否必要随意采用高强度420Mpa、490Mpa钢材,在不了解“焊接残余应力”分布规律的情况下,错误地提出消除“焊接残余应力”。有的设计人员互相攀比,层层加码。由于上述原因往往造成结构构件过大,投资大量增加,这都是设计方案不合理造成的。花的是国家的钱,不是设计院的钱,工程投资加大反而会增加设计费,设计院得到好处反而不承担任何因工程浪费而造成的法律责任,这种设计体制很不适应市场经济。

相反,偏向另外一个极端的倾向是:在某些工程的招标过程中,为中标压价,承包方尽量减少钢材用量,致使构件安全系数太低,受压构件的长细比太大,沿海地区钢管壁厚太小,致使构件在安装过程中造成杆件弯曲,由于安装误差太大造成大量杆件超过设计应力,**后不得采取现场加固措施。

规范待修订,标准须完善

我国“设计规范”不能满足当前设计实际的需要,应立即修改完善。

随着我国钢结构应用的迅速发展,钢铁行业已研制开发出优质中厚钢板,目前可大量供应工程应用,并于2000年颁布了行业标准《YB4104-2000》,这种牌号的Q235GJ、Q345GJ优质厚钢板有着良好的综合性能,如低厚板效应、良好的延性和冲击韧性、焊接性能和抗撕裂性能,能满足抗震设计钢结构用厚板的各种需要,其性能已优于日本SN50钢、美国A572-50级钢。新的国标《GB/T19879-2005》新增加了390MPa、420MPa、460 MPa三个强度级别,已在鸟巢、央视、国贸等重大工程中应用,当前的“钢结构设计规范”都一直未对上述钢材新标准变化做出积极的反应,也未提出任何修改补充条文。这种情况导致设计与钢材新产品间的矛盾日益突出,许多设计人员不敢采用新品种钢材。因此,立即着手修订有关规范以满足设计需要,已成燃眉之急。

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