2010年11月至2011年2月初，我有幸參與了設(shè)計(jì)院的交換計(jì)劃，赴美國(guó)迪世盟工程顧問公司進(jìn)行技術(shù)交流。在充實(shí)而短暫的三個(gè)月培訓(xùn)中，通過對(duì)美國(guó)規(guī)范的學(xué)習(xí)，并實(shí)際參與美方的設(shè)計(jì)工作，對(duì)中美之間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異和美國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般方法有了一定的了解和體會(huì)。
由于基本建設(shè)在美國(guó)早已過了高潮期，在美國(guó)國(guó)內(nèi)超大規(guī)模的設(shè)計(jì)公司較少，多為十幾人到幾十人的小型合伙制事務(wù)所。美國(guó)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段。但由于其專業(yè)分工較完善，不論混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)均存在一個(gè)由施工單位完成的深化設(shè)計(jì)階段。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，DCE所設(shè)計(jì)的迪拜的4萬平米的中學(xué)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)達(dá)兩年。長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期，降低了結(jié)構(gòu)圖自身的差錯(cuò)率，但也不可避免地帶來結(jié)構(gòu)過度設(shè)計(jì)的問題：由于在規(guī)定時(shí)間提交的設(shè)計(jì)文件是存在節(jié)點(diǎn)要求的，為完成節(jié)點(diǎn)規(guī)定的設(shè)計(jì)工作量，一個(gè)通過簡(jiǎn)單計(jì)算即可完成的計(jì)算任務(wù)，往往采用多種不同的復(fù)雜程序進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，效率相對(duì)低下。
在美國(guó)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要遵守當(dāng)?shù)匾?guī)范的要求。在美國(guó)，有一個(gè)涵蓋土建各專業(yè)的全國(guó)性的建設(shè)規(guī)范IBC。IBC規(guī)范由非政府職能部門的專業(yè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布，由各州根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行修正，這個(gè)修正版即為地方標(biāo)準(zhǔn)，地方標(biāo)準(zhǔn)通過州法律的形式予以確認(rèn)，在各州適用，如紐約州地方建設(shè)規(guī)范(NYCBC)。其他還存在大量由專業(yè)研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的專業(yè)規(guī)程或手冊(cè)如(ACI318，AISC等)，這些規(guī)程并不具有法定意義上的強(qiáng)制性。但由于很多條文被IBC規(guī)范引用，在地方標(biāo)準(zhǔn)上采納而成為法律。
中美間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想存在較大的差異，并各成體系，很難孤立的進(jìn)行比較。部分較為明顯差異有：
1、美國(guó)對(duì)于結(jié)構(gòu)荷載的提出較為全面詳盡。以普通住宅為例：房間的活荷載取值即根據(jù)不同的利用效率分為8個(gè)子項(xiàng)規(guī)定。主要活荷載數(shù)值已與國(guó)內(nèi)2000版規(guī)范相對(duì)接近，但由于其活荷載的組合系數(shù)取值為1.6，其安全度仍高于國(guó)內(nèi)2000年規(guī)范的水平。風(fēng)荷載的場(chǎng)地類別的沿海區(qū)域根據(jù)距海岸線的距離，明確細(xì)分了不同的場(chǎng)地類別系數(shù)，并明確臺(tái)風(fēng)荷載的計(jì)算方法等。
2、計(jì)算理論上差異較為明顯：對(duì)于地震作用，IBC規(guī)范根據(jù)不同的房屋高度、破壞損害，把結(jié)構(gòu)分為A、B、C、D、E、F六個(gè)不同的抗震等級(jí)。根據(jù)不同的抗震等級(jí)可以采用不同的計(jì)算方法及地震動(dòng)參數(shù)控制指標(biāo)，與國(guó)內(nèi)抗震區(qū)不同抗震等級(jí)，位移比周期地震動(dòng)參數(shù)要求基本相同有較大差異。在美國(guó)，采用0.2S周期的反應(yīng)譜加速度Ss和1S周期的反應(yīng)譜加速度S1兩項(xiàng)指標(biāo)來計(jì)算地震反應(yīng)譜，來反映不同的地震烈度影響。計(jì)算得出的地震作用進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換適用于不同結(jié)構(gòu)類型的地震作用取值。通過不同的折減系數(shù)反映不同結(jié)構(gòu)的阻尼、結(jié)構(gòu)抗震性能等不同。對(duì)于風(fēng)作用，除了前述的基本荷載取值不同外，對(duì)于安全等級(jí)較高的結(jié)構(gòu)計(jì)入考慮風(fēng)荷載的偏心計(jì)算假定等。
3、對(duì)于結(jié)構(gòu)類型的規(guī)定較細(xì)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的理解不同：如對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、材質(zhì)、填充墻、受力特征分為十幾種不同的類別。不同的結(jié)構(gòu)類別，計(jì)算方法、強(qiáng)度取值均存在較大差異。與國(guó)內(nèi)強(qiáng)調(diào)整體化建模，整體結(jié)構(gòu)受力的思想不同，IBC規(guī)范規(guī)定多種結(jié)構(gòu)可以采用豎向和水平各成系統(tǒng)，分離設(shè)計(jì)的假定等。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)模型的本構(gòu)關(guān)系，IBC規(guī)范要求考慮在整體計(jì)算中應(yīng)計(jì)入混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件本構(gòu)關(guān)系，這樣形成了不同受力條件下，構(gòu)件計(jì)算本構(gòu)關(guān)系的不同規(guī)定。這與國(guó)內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，只考慮構(gòu)件的彈性剛度存在明顯的區(qū)別，也帶來了后期計(jì)算結(jié)果及對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的處理方式差異。
4、對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制遠(yuǎn)少于國(guó)內(nèi)規(guī)范：只有極少數(shù)的關(guān)鍵條文(如高度限制)給出了明確不允許限制，其他只需滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形等計(jì)算要求即可。
美國(guó)是個(gè)后工業(yè)化國(guó)家，人力成本高，體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上即為：在滿足使用安全功能的前提下，以犧牲部分材料為代價(jià)，盡可能地簡(jiǎn)化施工方法。受益于美國(guó)鋼廠全規(guī)格型鋼件的便利條件，美國(guó)房屋建筑一般首選鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)連接中施工難度大的焊接使用非常少，絕大多數(shù)為螺栓連接。柱梁連接節(jié)點(diǎn)受力及構(gòu)造一般考慮為鉸接，由廣泛采用的支撐系統(tǒng)與框架結(jié)構(gòu)共同形成抗風(fēng)抗震結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)的種類較多，且均有較為完善的節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法。采用混凝土結(jié)構(gòu)中，平板式混凝土高層結(jié)構(gòu)使用較為廣泛。混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的布置多采用利于施工方便的分離式配筋方式。
三個(gè)月的培訓(xùn)不但讓我開闊了眼界，對(duì)國(guó)外同行的工作習(xí)慣有所了解，也使我對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作有了更深的體會(huì)。國(guó)際化的世界分工，既讓中國(guó)工程師有條件參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，又要求具備國(guó)際化的視野和跨地區(qū)的工作能力。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)程序的獨(dú)特性是我們面對(duì)境外工程師競(jìng)爭(zhēng)的天然防坡堤。
作者 龔進(jìn)
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