工程结构耐久性与全寿命设计理论研究

许秀颖 罗 明

（北京交通大学海滨学院，河北 黄骅 061100）

0 引言

近年来，建筑工程方面的结构性、耐久性、环境影响问题作为世界关注热点，尤其是建筑工程后期的维护工作将消耗极大的资源，严重阻碍建筑领域的发展进度。与此同时，工程师们也深刻意识到此类问题的是严重性，并针对此种现象提出建筑工程全寿命周期引发的经济性问题。

1 研究目标与发展方向

工程结构一般分为项目初期规划、总体结构设计、建筑施工环节、管理环节、后期拆除环节。工程结构可体现出完整的建筑特性，并对关联范围内的持续发展性、经济性等进行展现。为此，对于工程的全寿命设计来讲，其不仅应对环节的使用周期进行精准分析，来应从渗透到工程结构中的每一个环节，为结构的性能、成本、技术衔接等提供就基础保障，以实现设计的最优化。

在对工程结构的一系列工程内容进行全寿命设计时，主要是通过不同工作环境、受力模式、预期使用周期等来对工程结构所需要材料的瞬变性进行分析，以此来得出工程结构中存在的机理问题；通过对工程结构使用周期后的土地利用情况进行分析，并依据现象设计框架来对土建工程的预期工作模式进行研究，以此来体现出可持续发展的基本理念；通过全寿命周期的实际应用，来对工程结构的各项建筑环节进行优化，并对产生明显效果的优化环节进行记录，以此来逐步完善全寿命设计体系，进而减少工程结构的造价成本，以推动资源节约型社会的发展。

2 研究现状与发展规律

2.1 研究现状

每一项工程结构中，由于结构特性、工作模式的不同，其都具备与之相对应的生命周期，在环境、材料、荷载等情况的影响下，将严重增加整体工程结构的运行负担，致使其工作性能下降，增加整体建筑结构的安全风险。与国外相对比，我国对于全寿命周期理论的研究时间较短，其起始时间是在2000年初期，主体研究方向为施工周期项目整合管理、建设周期系项目整合管理、交通建设管理等。在技术、设备、理论的不断更新下，主体项目研究人员也将全寿命周期从项目管理角度中提取出来，并将其应用到投资控制问题、耐久性问题、抗震性问题中，以此来逐步完善工程结构的安全体系。但现阶段，全寿命周期的研究仍停留在成本控制与工作管理过程中，对于性能优化、资金优化、环境优化等方面的投入力度不足，其中大部分理论细节还处于研发过程中。

2.2 发展规律

在工程结构的生命周期内，主要影响因素为结构的耐久性，其不仅对整体结构的性能造成影响，还影响整体工程结构生命周期内的资金投入情况。从工程结构的设计角度开分析，其一般经历应力最大化设计—破坏阶段—临界状态点的设计环节。工程结构设计的每一步优化创新，代表整体结构的安全性、稳定性、实用性等又上升到一个新的高度。

经过实际检测，临界状态点的设计方法产生效果较为明显，按照概率理论分析，得出的数据值要明显高于其它设计方案的测量数据值，其现也作为国际上通用的设计方法之一。但临界状态点的设计方法是基于工程结构的荷载力、刚度来决定的，且主要是对完工状态下的工程结构进行分析，未能考虑到整体工程结构的退化问题。为此，在工程师们在可持续发展战略的影响下，开始对工程结构进行细化，充分考虑到每一项工程结构所面临的结构问题、老化问题、荷载问题等，并对工程结构设计到的资金投入、维修费用、产生的利益、环境影响等方面进行研究，进而令临界状态点设计模式逐渐向全寿命设计模式方向过渡。

3 学科问题分析

3.1 耐久性下的工程结构特性

对于工程结构来讲，其实际工作环境是以实际建筑需求为基准，在不同种气候、地理因素的影响下，其侵蚀介质也具有较大的差异性，此种问题也对工程结构的耐久性造成较大的影响。为此，在对工程结构的耐久性进行研究时，应从地理环境、结构特性、功能应用等方面对耐久性进行正确区分。例如，不同区域环境的特征数据采集与数据变化规律；环境影响结构的基准参数探析；工程结构耐久性模型研究；主区域与分区域的边界测定方法探析等。

3.2 施工材料的实际影响规律

在工程结构的实际施工阶段，其是以设计图纸为主，将立体化、抽象化概念转变为实体化的过程。在每一项建筑环节中，耐久性问题是以实际施工环节为载体，渗透到每一项建筑工艺中。而目前我国对于建筑材料工作状态下的耐久性研究较为透彻，但对于建筑材料在施工周期中的研究处于弱势。为此，在对此类问题进行研究时，应包含建筑材料的级配、添加剂、实际施工环节对建筑材料的性能影响；建筑材料在施工过程中与实际工作状态下的参数基准比对；在不同施工条件下建筑材料凝结时耦合影响等。

3.3 环境荷载下的劣化机理

工程结构在实际应用过程中，环境因素与实际荷载因素往往存在不确定性，为对传统单一化的环境框架研究手段进行优化调整，可建构多种自然环境与荷载模式的组合效果，来对工程结构的进行研究。具体研究优化手段包括，环境荷载下侵蚀介质的运动规律；建筑材料内损情况的发生规律、结构部件的性能参数衰减规律；负荷条件下环境影响的耦合因素；建筑材料对整体工程结构耐久性的作用机理；耐久度降低条件下整体工程结构的稳定性分析。

3.4 不同材料间的相互作用机理

在工程结构设计与施工过程中，其需要多种材料进行配合，以提升工程结构的稳定性，例如，钢结构、混凝土结构、混合机构等，在对此类问题进行研究时，主要是通过不同建筑材料的特性融合模式来对工程结构的耐久性进行分析。在实际研究过程中，包含混合建筑材料中的耐久性机理融合机制研究；钢结构、混凝土材料的组合下的结构性能分析；建筑材料与自然环境发生反应产生的化合物（铁锈）在工程结构使用过程中，整体结构的稳定性能分析；新型材料与混合材料的联用机制分析。

3.5 工程结构耐久度测试体系

在对工程结构的耐久度进行测试时，主要是将信息化技术与检测模式相结合，在统一化、科学化的检测基准下，以建筑材料的常态特性、施工特性、应用特性、性能衰减特性为主，来建构完整的测试体系，并应逐步完善测试项目。与此同时，应加大新型检测技术的研究力度，令测试体系向智能化、精细化方向转变。

3.6 工程结构耐久度的评估模式

工程结构建设过程中，不可预见性问题发生的概率较大，为确保建筑材料可发挥其较大的功能效用，应对工作状态下建筑材料进行全过程监督，通过长期检测数据的积累来制定建筑材料的基准参数。为此，在对工程结构耐久度的评估模式进行建立时，应建立数据信息与耐久度之间的动态基准，并通过随机理论来对数据信息进行检测，以提升工程结构全寿命设计的精准性。

4 结语

综上所述，文章对工程结构与全寿命设计的发展目标与方向进行论述，并对其研究现状与发展规律进行研究。通过工程结构特性、建筑材料、劣化机理、耐久性测试等，对工程结构与全寿命设计理论进行研究，以此来为工程结构建构完整的生命周期监管体系，进而逐步完善全寿命设计体系。