广西华景城建筑设计有限公司湛江分公司
摘要：简要概述了结构设计的可靠度基础，分析了结构设计可靠度的影响因素；在构件目标可靠指标和可变荷载水平两个方面，初步比较了我国建筑结构设计可靠度水平与美国等国水平的差异；阐明了综合考虑可靠度影响因素的水平，是比较和调整我国结构设计可靠度的最佳途径。
关键词：建筑结构设计；可靠度；比较研究
引言：作为我国支柱产业之一，建筑业发展水平和结构设计水平在很大程度上都会影响我国市场经济的发展和制度的建设。建筑结构的可靠度不仅直接影响到建筑本身的质量，而且还会影响到国家和人民的生命财产安全。因为近年来我国建筑业安全问题常有发生，使人们对建筑物可靠度以及对建筑行业的施工水平产生信任危机，所以，想要进一步推动我国建筑业的发展，细致性分析影响建筑结构设计可靠度因素是非常有必要的。
一、建筑结构设计的可靠度基础
建筑结构必须满足正常施工、正常使用和正常维护下的安全性、适用性和耐久性等各项功能要求。这些功能要求就是结构的设计准则，通常用极限状态来表示。极限状态是结构功能是否满足要求的 “ 分界线”。构件的极限状态可以用荷载与抗力的临界平衡来描述；结构整体的极限状态通常用构件极限状态的组合或结构失效模式的临界状态来描述。结构的可靠度分析与设计理论，主要是基于人们对结构的荷载（或作用）和构件的抗力（或影响抗力的因素）的随机性认识而产生和发展的。可靠度理论更加真实、客观地反映了结构的功能特性，因而使结构设计扎根于坚实的理论基础，更加科学，更加符合客观实际。结构设计可靠度分析
1.1 建筑结构设计体系可靠度
结构的可靠度理论在实际应用中，应该随机地转化为一些可以代表随机变量效应方程式，把经验校准当作辅助工具，然后使用失效概率进一步度量结构的可靠度。就当前而言，可靠度设计理论研究在我国取得了一定的成就，但是，当这些理论的内容在具体结构设计规范要求中应用时，将会有大量的设计问题出现，所以，结构设计师需要进一步完善可靠度理论。此外，在正常和异常结构设计系统之间不存在比较明显的界限，这种情况的存在，导致结构设计中的可靠度理论推行受到一定的影响。
1.2 结构设计规范性
规范即是和结构设计相关的法规制度，强制性是其结构设计的主要特征之一。在建筑设计过程中，设计师必须对其设计作品承担相应的法律责任，所以结构设计的过程中需要全面遵循相关法律法规政策的要求，只有通过这种方式，才能够在结构设计成果出现问题时，不需要承担相应的法律责任。就当前结构设计规范而言，钢含量属于评价结构设计可靠度重要的标准和指标，设计者要想提高结构设计规范性，就要尽可能减少结构设计的钢含量。然而，从我国建筑结构的实际设计来看，为了满足施工标准的要求，设计师将适当地增加结构中含钢量。在此基础上，设计人员需要提高建筑结构设计水平和质量，提高设计规范的灵活性。
二、建筑结构设计可靠度影响因素分析
2.1 可变负载水平和分布参数
一般来说，在目标可靠度指标相等而负载大小不等时，建筑结构设计的可靠度也有一定的差异，由此可知可变荷载在荷载水平起着重要的作用，在建筑中工程可变荷载可分为两个方面，分别为：自然环境荷载水平和楼面活荷载水平，其中自然环境荷载水平主要由重大自然灾害或地震作用所造成，楼面活荷载水平主要通过控制荷载平均值提高建筑结构的稳定性。特别要注意的是，荷载水平和基准时间在自然条件下关系密切，但由于自然环境荷载水平多是基于年限最大统计值计算出来的，所以荷载水平将随着基准时间的延长而提高。通过一系列的调查实践，发现可变荷载概率分布参数的准确性也会影响建筑结构设计的可靠度。
2.2 工程质量
建筑工程在正式施工前，如果施工方没有控制好工程设计、施工和验收工作环节的质量，就会很容易导致建筑结构设计抗力和实际抗力出现较大偏差，造成结构的可靠度不能满足指定的可靠度。因此，在对建筑结构抗力进行统计和分析的过程中，应重点研究影响施工项目质量的因素，及时采取有效措施应对。此外，还应不断加强工程施工质量管理工作，确保结构设计的科学性和合理性，从而有效保证建筑结构设计的可靠度。
2.3 不利荷载效应组合
经相关调查发现，建筑构件可靠度指标的结构往往基于建筑结构设计相关标准确定的，也就是基于三种基本荷载效应组合和 14 种基本构件校准确定的。建筑结构的其它荷载效应组合的目标可靠指标与该水平相当。一般来说，建筑结构的设计不利于荷载效应组合发挥控制作用，其发挥不利程度也不同，会使建筑结构的可靠度也有所不同，而建筑结构变量荷载水平的影响因素也是相似的。在校准建筑构件目标可靠指标时，应遵循“恒载+风载+活载”和“雪荷+风载+活载+恒载”，这两种荷载效应组合的目标可靠质保是相同的，但是它具有不同程度的可靠度水平。
三、建筑结构设计可靠度设计
3.1结构的构件可靠度设计
基于荷载和抗力随机性的统计分析和模型化，构件的功能函数通常是随机变量的函数，可以表示为Z = g（X 1，X 2，…X n）其中 X i（i =1，2，…，n）是荷载、抗力或它们的影响因素等随机变量。功能函数可以方便地刻画构件的安全准则、极限状态和失效准则，它们分别相应于 Z >0、Z =0 和 Z<0 等三种状态。Z >0 和 Z <0 满足的概率就是构件相应于函数 Z 描述的功能的可靠度和失效概率，如构件的可靠度可以表示为
p s = P{g（X 1，X 2，…X n）>0}
结构的可靠度设计就是要在规定的条件下，合理地确定结构形式、构件材料和尺寸，使所有的结构构件可靠度满足期望的可靠度水平（或称目标可靠度），即
p si ≥[p s] （i =1，2，…，m）
当功能函数 Z 是线性的且各随机变量 X i（i =1，2，…，m）是正态随机变量时，相应于功能函数 Z 的构件可靠度 p s 与如下可靠指标 β 有一一对应的关系。β表示为
3.3目标可靠指标
在给定的抗力 R 和荷载效应 S（由于 R 和 S 是随机变量，实际是给定 R 和 S 的概率密度或可均值与标准差）下，参考图 1，直观地说，目标可靠指标[β]实际上是规定抗力和荷载效应的概率密度 p R 和p S 搭接的面积。[β]是结构安全水平的综合指标，是影响结构设计可靠度水平最直接的指标。我国 《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）和其它大多数国家的结构设计标准，目标可靠指标[β]都是在给定抗力和荷载的概率分布条件下校准原规范安全系数来确定的。
3.4可变荷载水平与分布参数
在相同的目标可靠指标下，荷载设定的大小不同，结构设计可靠度水平截然不同。在荷载水平的影响中，可变荷载占主导地位。可变荷载大致可以分为两类：其一是楼面活荷载；其二是自然环境荷载，包括诸如风载、雪载和地震作用等受自然规律支配发生的荷载或作用。楼面活荷载的水平，主要是设计基准期内荷载均值的大小；自然环境荷载的水平，主要与基准期长短有关。因为大多数自然环境荷载都是按年最大值统计确定的，基准期越长，荷载水平越高。可变荷载概率分布参数确定的准确程度，也将影响结构设计的可靠度。例如，假定在图 1 中的实线是相应于目标可靠指标[β]的设计荷载效应，虚线是实际的荷载效应，显然，我们设计的结构并不真正具备设定的目标可靠指标[β]3.3 工程质量（含多种因素）
工程设计、施工、使用和维护的质量主要导致实际抗力与设计抗力的偏差。例如，设计抗力与实际抗力若有图 1 所示的偏差，则结构实际的可靠度并未达到设计的可靠度。因此，在抗力的统计分析中应尽可能包括实际可以预先考虑的、影响工程质量的各种正常的随机因素。此外，加强工程实施各个环节的质量控制，是保证结构设计可靠度、甚至提高结构实际可靠度的重要措施。最不利荷载效应组合我国构件目标可靠指标是 《建筑结构设计统一标准》 GBJ68-84 按三种基本荷载效应组合、14 种基本构件校准确定的，其它各种荷载效应组合下的目标可靠指标均与此水平相同。结构设计通常是最不利荷载效应组合起控制作用，最不利的程度不同，结构实际的可靠度也将不同，可变荷载水平的影响因素类似。
在校准构件目标可靠指标时，“ 恒载+活载+风载”与 “ 恒载+活载+雪载+风载” 两种不同荷载效应组合下（可变荷载基准期相同）具有相同的目标可靠指标，其实，两者的可靠度水平是不同的。
3.5抗力衰减
由于环境荷载疲劳效应导致的累积损伤、环境腐蚀和材料老化等不利因素的影响，构件的抗力将随时间衰减，具体表现在抗力的均值和标准差是时间的函数，即μ R = μ R（t） σ R = σ R（t）如果能准确把握抗力分布参数随时间变化的规律，则结构设计应采用期望结构使用年限 Σ u 的构件剩余抗力的分布参数 μ R（T u）和 σ R（T u）。目前，这一工作国内外都在研究中，从发展的趋势看，构件的抗力衰减将会在结构设计或规范中予以考虑。结构设计可靠度水平的初步比较为了与设计人员熟悉的多系数极限状态设计衔接和方便设计人员应用，结构的构件可靠度设计通常表示为荷载和抗力分项系数设计表达，如我国采用的表达式为
上述荷载和抗力标准值、分项系数和组合系数，是在给定的目标可靠指标下，对于三种基本荷载效应组合、14 种基本构件按误差最小的原则优化确定的协调量。换句话说，设定不同的荷载和抗力标准值，可以最优地确定不同的分项系数来达到给定的目标可靠指标。
四、建筑结构设计可靠度设计提出几点注意
4．1 提高设计人员的可靠意识
建筑结构设计这项工作具有复杂性、精确性、专业性等特征，对设计人员要求特别严格，从工作态度、专业知识对设计人员都有严格要求。设计人员既要有认真负责的工作态度，对专业知识也要应用自如。增强设计人员的可靠意识，认真学习国家制定的各项规范，能过把握住行业发展的新动向。
4．2 遵守国家建筑规范
我国建筑规范是根据国情依法指定的，符合社会经济的健康发展。规范在我国具有强制性，相当于法律条文，有相应的法律效力。建筑设计人员要严格按照规范设计，在规范不能满足具体情况的设计时，要向国家及时反映，然后根据具体情况制定相应
的解决方案。对于发现的违规、钻规范空子的不法设计人员要依法处理，从严处理。
4．3 注重创新
创新是一个民族进步发展的灵魂。计算机在建筑设计中被广泛应用，设计人员利用计算机制造出高仿真的建筑模型，为设计出造型新颖、外形独特的建筑物提供了技术支持。要提高建筑结构设计可靠度需要结构设计人员进行开发创新，推陈出新，开发出更好的软件用于建筑设计。
4．4 可变荷载
我国和美国楼面的活荷载标准值相比，美国楼面的活荷载采用的标准值要比我国的标准值要大很多，其平均值大概大一倍左右。我国的自然环境荷载的标准和美国的自然环境荷载的标准相比，我国和美国的自然环境荷载水平大致相当。但是风荷的标准值我国是每 30 年左右遇到一次。而美国的风荷标准值是每 50 年左右遇到一次。但是，风荷载均值和标准值相比，我国与美国相比要高。我国和美国的风荷载均值是大致相当的。
结束语
建筑结构设计可靠度理论逐渐发展成熟，应用范围也越来越广。当前实际应用过程中，理论与实际情况的差距依然存在，所计算的各种数据与现实的相似度还不能够完全满足各类工程需要。建筑设计人员要抓住机遇，设计出更可靠、更合理的建筑物，加快与世界接轨的步伐。
参考文献
[1]李广辉.关于提高建筑结构设计可靠度的建议.中华民居.2010.5
[2]吕心雨.对建筑结构设计可靠的的分析.黑龙江科技信息.2011.9
论文作者:伍培良
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/18
标签：荷载论文; 可靠论文; 结构设计论文; 抗力论文; 构件论文; 建筑论文; 水平论文; 《建筑学研究前沿》2017年第32期论文;