我国模板支架设计理论在踉跄迂回曲折中缓慢进步

熊耀莹

一、我国近十年来的脚手与模板支架的成就与问题

1.由于原行业标准《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ 130-2001颁布后在执行过程中事故频发，成为施工中的老大难问题。为此几个省市经济发达的地方都迫不得已建立自己的地方规程。上海的地方规程参考了国外经验引入诱发荷载的概念，考虑了垂直荷载的1%作为水平附加荷载；又综合考虑其它动荷载因素又按垂直荷载的2.5%作为水平安全荷载作用于支架。同时把生成的侧向水平荷载影响列入对垂直杆件的应力核算中去，这一思维也将为我国的模板支架计算中不可缺失的内容 （尽管在取值上还有待商榷）：侧向力的客观存在必然要影响立杆的受力状态。但遗憾的是这一重要问题在编写过程中力学推导出的公式发生不应有的笔误。在专家评审过程中笔者还向编者提醒，但正式颁布时并未更正，这一不该发生的事令人震惊。而计算公式笔误使上海规程中诱发荷载的问题也未受到同仁的重视：水平荷载在其它规范中未能广泛研究和推广当然还有难以定量的问题。

2.浙江省在编制地方规程时没有采纳上海以模糊数学方法所谓诱发荷载的存在。又由于看不懂上海规程中最重要的理论计算部分错误，而自己建立了一个近似计算水平荷载对立杆的影响力的公式。但浙江大学在通过试验过程发现更为重大的问题，即在原国标规范的支架构造方法上杆件应力计算不仅和支架上部悬挑长度有关，还和步距杆距乃至架子宽度等有关，这也就逐步揭开原国家行业事故潜在的隐性问题：原国家行业标准没有能考虑的问题。浙江省的贡献使新颁布的国标《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》提供了重要信息并纳入了国家行业标准重要的修定内容。但上海与浙江的地方规程最大的问题是都没有跳出原国家行业标准的不科学构造方法，并考虑扣件的半刚性的作用，打乱了力学计算的轻便路线：各排杆的刚度不同 （垂直剪刀撑与水平剪刀撑间隔设置）而难以获得清晰的理论进行在侧向力作用下各杆的简单准确的应力计算，在舍不得抛弃扣件的半刚性的前提下使理论计算陷入复杂的试验漩涡中难以脱身。

3.江苏省东南大学在此过程中对扣件的拧紧力矩也做了可贵的试验，以试验数据揭示了拧紧力矩对架子的承载能力影响。江苏在2008年10月9日发布了《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》但江苏的地方规程也有不可忽视的文字游戏，即在核算架子的稳定性时提出的条件太低：当架子高宽比大于3时应进行稳定性核算，倾覆力矩小于等于稳定力矩。假如两个力矩相等时架子已处于十分危险的状态 （这时整个架子的重心移到最边部的一排杆件上）：没有能像前两省市提出具体核算杆件的内力方法 （当然前两省市的理论计算也难以准确，因各排杆件刚度各不相同，但努力的大方向比江苏更胜一筹）。这一问题在该规程升级成为国家行业标准时也未能解决。其根本原因是没有挣脱原国家行业标准的构造措施。在历史上世界结构工程师对屋架或桁架进行内力分析总是把全刚性的节点简化为铰来计算，直至今日。这一理论计算法是否精确也曾经过论证：是可行的。否则结构设计工程师就寸步难行 （在没有电脑和有限元计算理论的历史上德国曾悬赏以赵静定方法解求屋架杆件应力的精确应力计算结果。有一位研究生获奖并实践进行过按全刚性节点进行计算与简化计算方法对比是可行的）。

4.西安建筑科技大学胡长明教授为冶金部门花千万元做了大量试验，但还难以找到合理的计算理论模型。但他的试验揭示了更多的问题：由于剪刀撑的间隔设置使各不同部位的杆件受力复杂化 （如角杆、边杆、中间杆和靠近剪刀撑部位的杆件承载力测试结果相差很大）这也为其它规范在编制过程中起到进一步的警示作用。

5.2009年7月1日国家行业标准《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》JGJ166-2008发布。这一规范的发布标志我国脚手计算理论有了新的突破和改观：抛弃了半刚性理论和不均匀加固的水平与垂直剪刀撑的方法，以结束杆件应力杂乱无章的难以掌控的状态：假设扣件为铰；以几何不变体系来设定斜杆的布置，并可获得清晰的按静定结构设计的力学计算模型。然而这一理论体系的革新过程是十分艰苦的：在编写组内部统一思想就很困难，人们说什么几何不变体系在大学课堂上只学过平面几何不变体系，而脚手架是空间体系，特别是具体执笔者知道这增加了编写的难度，不想创新还沿着老路走，毕竟经过激烈的交锋还是统一了思想，建立了以几何不变体系方法来建立我国模板支架设计理论：忽视扣件的半刚性作用。其实任何理论都应该顺应自然的法则，并不取决于我们主观的思维。稿成后编写组在香山会议上又遭到外部专家带着某上峰的观点意外的无情的围堵：坚决反对忽视扣件的半刚性的作用。其充分理由是脚手是临时构筑物，不考虑扣件的半刚性是一种浪费。这一协调过程更为艰巨，结果意见始终未能统一，此后因我国脚手架发生连续重大伤亡事故 （如北京西四工程），其围堵 ‘几何不变铰接理论计算体系’的声音才销声敛迹。

现在回顾碗扣式国家行业标准规范的问世为我国脚手架理论上进步的曙光，也还是有许多粗糙和不完善之处：如脚手架部分就有几种几何不变构造形式未能分别说清，空间几何不变体系概念不清所致；有些部分还留着过去理论的阴影，如悬挑件部分的计算；在架子整体内力计算上也缺少方法指导：当每步架纵横至少有一个斜杆即可形成几何不变体系，假如我们使用了两根以上斜杆就形成造静定结构体系，计算还是很繁。其简化计算内力方法也应向读者指示——可将水平分力平均作用到斜杆上，因各斜杆刚度相等；几何不变理论体系随着计算理论的深入发展，必然还涉及到更多的问题，如何更合理科学地设置斜杆，使立杆不至于应力集中也是不可回避的问题之一。这也因为编写人员因经费问题很分散，意见集中仅主要依靠书面进行，真正集中碰头见面的机会太少，一大堆问题出现又因为时间上参与主编企业单位要赶快出版，这就形成了粗制滥造。

6.2011年1月28日中华人民共和国行业标准《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011在一片非议中颁布并将在12月1日实施。客观评价新规范的颁布相比与JGJ130-2001来说不能说没有进步，特别是试验内容上有一些突破和进步:在计算内容上提供了新的（原老规范没有涉及的计算因素）影响脚手架承载力的因素，而这些因素正是原规范的肇事陷阱。但新的行业标准最大的问题是保留了原来的构造方法，找不到理论的归宿，一味走老路通过试验来决定计算系数而步入死胡同。对此我们不得不进行科学方法与哲学思想的讨论。

二、关于科学方法问题：哲学思想的偏见

实践在检验真理的过程中起了很大作用，唯物主义者认为物质第一性，是认识世界的第一知识都是正确的，但并不存在唯一性，更不存在绝对性。我们不要忘记实践是离不开人参加的，人所有的感官 （视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）都是不绝对可靠与完善的 （客观信息被删去很多）：只能感觉到局部——局限性，局限性不仅因人的感官造成，而且也会因人的试验能力是有限的；客观事物还有表面性也会欺骗人们对科学真理的误判 （如地心说就是一个众所周知的在实践中凭人的主观判断而发生的重大科学误判事件，当然我们还有更多的论证来说明这实践过程表面性的例子），实践的表面性使人们在认识客观事物上产生主观错误的判断：人们在实践过程中产生主客观双重性。人对客观事物的实践有主客观双重性的客观存在性不仅为一般人所忽视，甚至为一些大哲学家所忽视。人在实践检验真理的过程中想走实践的独木桥是走不通的，总是离不开人类所掌握的大量理论知识来共同对真理的检验：人和动物的根本区别。所谓 “真理是检验真理的唯一标准’是所有科学工作者不容忽视的偏见。我国有位哲学家在中央台访谈中只敢承认 “实践是检验真理的唯一性”而不敢承认“实践是检验真理的绝对性”（《光明日报》1978.5.11曾经在特约评论员署名的 “实践是检验真理的唯一标准”文章内容中报刊编辑又加上了 “绝对的”用词）其实绝对与唯一两词并无很大距离，我国哲学界已经把 “实践是检验真理的唯一标准”而成为一个铁的真理。诚然《光明日报》的该文章使我国快速进入改革的大道，功不可没 （回避了与教条主义的纠结）。实践失去与理论的统一 （实践的表面性也需要经得起理论的判别）就可能形成经验主义；理论失去实践的经验就可能形成教条主义。人类认识客观真理的过程总是实践与理论紧紧相结合的过程。 “实践是检验真理的唯一标准”的偏见也将影响我国改革的可持续发展。实践过程中的局限性与表面性是每个科学工作者所不容忽视的问题。特约评论员文章中所说 “理论”不能证明 “理论”的论点也是不成立的：科学家在理论的进程中从来没有用同一理论互相证明的例子。特约评论员把彼此不同内涵的彼此 “理论”混为一谈，是有逻辑上偷换概念之嫌。可惜本文不可能与哲学家、特约评论员来很详细讨论这一问题，我有兴趣以后有机会再专题深入讨论。

我们现在还是就有关模板支架的具体技术问题来讨论。从一开始国家行业标准《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001对模板支架的构造采取水平与垂直剪刀撑不均匀间隔加固方法，这一举措迫使规范走试验的道路来决定计算系数方法，而难以以基础理论来左右形势。为此建筑科学院的研究人员与哈工大教授因试验理论方法不同而导致试验数据不同 （其实两种方法并无本质的差别），双方各执一词而规范 “难产”——上世纪八十年代初规范立项，直至21世纪初才迟迟统一意见发布。但还是犹抱琵琶半遮面，许多问题并没有充分揭示。结果从规范出版后每年安全事故层出不穷仅次于我国煤矿安全事故的发生。由于理论基础不牢许多影响模板支架的安全因素也难以显露。通过10年来各学术团体不断探索试验了解更多的影响脚手架承载力的因素（n）：扣件拧紧力度（扭矩）、架子宽度、高度、高宽比、步距、纵向杆距、横向杆距、水平剪刀撑、垂直剪刀撑、立杆上端悬挑高度、水平约束等因素，在《建筑施工扣件钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001中仅介入了个别的因素去影响脚手的试验计算程序。如水平约束、剪刀撑、支撑悬挑高度。而漏掉许多当时还未察觉的影响脚手架承载力的因素，而这些漏洞正是安全事故的陷阱。新规范JGJ130-2011的编者仅选取了剪刀撑（不加型、普通型、加强型三个工况）、立杆间距（纵横杆距相同六个不同工况）、步距 （五个工况）、高宽比 （仅一或两个工况介入，不大于2或2.5）、最少跨数（仅两个或三个工况介入4、5或8）、上端悬挑高度（两个工况a=0.5m与a==0.2m）等六个影响因素 （n=6,扣件扭矩和中间约束等未纳入，杆距纵横选取相同值）进入试验程序。而工况介入试验的选择就更少。在附表录C‘满堂脚手架与满堂支撑架立杆计算长度系数μ中：表C-1至表C-5列出μ值126个，按照有限的工况和不完整的影响因素应做196次试验，而表中空格数却有76个。我能了解编者的苦衷，仅能使用有限的工况数 （X）和有限的影响因素 （n）来介入试验计算程序:如果填满空格的数据可能还要多花费几百万试验费，因而可做可不做的试验只能减免；委屈读者空格处不做选项。但假如读者遇到高宽比为2以下时没有意见 （仅有点浪费）；高宽比为3时读者又何去何从呢：人们在规范上就找不到答案，计算就无法继续进行。新规范还是没有把已知的影响因素全部纳入试验研究的对象。那么我们要进行多少次有效的试验才能满足施工的要求？这也是我们不能回避和重视的研究的关键问题。在新规范JGJ130-2011版本中正如规范附录C表编者把影响因素压缩到五个n=5(立杆间距、高宽比、步距、最少跨数、上端悬挑高度a);工况（X）也进行压缩:立杆间距为x=4或6、高宽比X=1或2、步距X=4或5、最少跨数X=2或3、悬挑高度X=0或2。就这样根据不完整的影响因素与极少的变化的几个工况的组合按编者的意图附录C表应做196次试验求出196项系数 （μ）而在C表中仅做121次试验：缺项77次。要填补这些空项还须数百万元，编写组已难以承受经济压力。但读者就苦了，无所适从。

我们如果设想把影响因素和工况变化的数字再提高以适应更广泛的使用实际价值以消除事故的陷阱，我们们必须研究要做多少试验。如果把工况变化次数X=5并不算高；我们再把已知的影响因素定为n=10或8。要做多少次试验 （Y）？这不得不以数学逻辑方法求得这一计算式：Y=Xn。我们仅设X=5,n=10则Y=97655625次。也就是说我们要做近100万次试验。如果降低标准：设n=8、X＝5时：Y=Xn=78125次，这不仅花费数万亿或数十亿元经费，而一个人的一生也不可能完成这一实践 （一个人的一生有效工作日还不足1.5万天），当然这经济费用也是我国任何企业不可能承受的。单纯以实践来检验真理是行不通的：实践在检验真理时必需与理论统一并紧紧相结合才能事半功倍。科学发展观才是可持续发展之路。

新规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130－2011在发布前我也从编者网上发给我的文件里看到，并与主要编写人刘群同志讲过我的意见还是尽快争取发布。我之所以这样想是因为扣件脚手架新规范时间与经费上不可能再以其它理论体系来转向。新规范虽然有不尽如人意之处 （包涵许多问题与漏洞），但通过新规范编写组现有的大量试验也揭示了前规范所没有能发现的重大问题，故新规范再迟迟不发表全国读者也等不及，但读者使用新规范时未列入试验承载力影响因素的几个方面 （如水平约束、纵横杆距不同、扣件拧紧力矩、乃至剪刀撑上用多少扣件都应认真对待）和表上未列项或空白处要特别注意。又讯中国建筑工程总公司已着手在按铰接几何不变体系模板支架的安全技术标准规范的编制已进入试验过程中；新规范JGJ130-2011对模板支架的指导作用仅是过渡时期的事。

三、宏观管理问题

在改革开放的过程中建设部规定凡特级施工单位必需主编国家行业标准规范的硬指标，这一要求旨在提高施工单位技术水平。这一规定使我国的规范标准有了空前数量的提高，编制经费也获得前所未有的改善。企业愿意花几十万或数百万甚至千万来投资，原来部里给每项规范的科研经费仅五万至几十万。我国前所未有的规范数量也成跃进的姿态猛增，千家万户在编规范，而各企业高端科研人员增加的速度就达不到这个要求，在企业资格审查时间并不以编制进度为标准，而是以年度审查时间为标准，企业就把编制进度放在首位：资质是企业的生命，而编制质量就顾不上许多。由于施工企业时间紧迫，催逼规范审批的压力下，规范审核过程也就很匆忙。

对此我们呼吁不是谁有钱谁就有资格来主编修订国家技术法规，这是技术进步的假象，当前企业以重金来购买规范主编权的现象应予制止，否则对规范的长期管理也带来无穷的后患；而真正参编的主要科技人员也应相对稳定，年纪大的应有接班人，部里不仅要抓规范的出版还应重视规范的长期管理的战略措施。

四、模板支架设计理论进步与构造方法的改进迫在眉睫

在碗扣式脚手架施工规范编制过程中我们曾批判了传统的扣件钢管脚手架的构造方法：不均匀剪刀撑加固法而导致难以以理论来系统处理脚手架的理论计算陷入“实践是检验真理唯一标准”的怪圈中。一旦使用铰接几何不变理论构造措施：忽视扣件的半刚性作用我们可以避开许多附加系数的纠缠和以理论来取代无休止的试验。正像人们一直忽视钢屋架节点的全刚性而顺利的解出杆件应力。使用几何不变体系理论与构造方法还可以顺利落实在侧向荷载作用下在理论上求解出对立杆的影响计算成为现实：以结束模板支架计算方法的模糊性。如前文所叙碗扣式规范的问世也还是有许多不健全之处，需要进一步完善，但其理论的战略大方向是正确的。如何保证几何不变理论体系的计算可靠性在细小零件上也应予以认真重视否则功亏一篑。在几何不变理论体系中斜杆对架子几何不变起关键作用斜杆所使用的万向铸铁扣件不应再使用：误差太大。我国已发明了先进的万向扣件可以取代现有的铸铁万向扣件。

我国生产了许多锻钢扣件性能很好，可是国内无人问津，全部出口甚至供不应求也是极不正常现象。

从新规范中试验说明中了解到架体整体失稳的波形中上部大于下部的信息，这说明上部直接承压端部引起很大的偏心力矩。这就意味着必须改善立杆承压端部的构造。可调托撑上的托板不能与托撑焊牢：应加球面座以消除偏心矩。（假如钢管直接支撑模板，钢管端部不能达到绝对与模板全部吻合，其偏心距离最大也就是钢管的半径，钢管边缘直接承受压力），而承托板与可调撑焊牢则将引起较大的压力偏心距离而引起较大的偏心力矩 （因托板的尺寸较钢管的直径大很多）。改进悬挑杆件端部的构造会使架子的承载力增加。与此同时悬挑杆件的根部或上部采取加固措施，使其偏心力矩不至影响到下部步高杆件的计算长度。（参见碗扣式架子试验报告）

加强对上海地方规程中提出的诱发荷载的研究 （国外同仁对此问题也引起高度重视）；分静载与动载两个部分。这一课题并没有在其它规范中引起重视，但侧向荷载是客观存在的，容不得我们不予理睬。

人们忽视动荷载这一现象是由于把动荷载引入难以定量而未能引入，上海提出的诱发荷载计算方法还没有得到业内同仁认可而搁置。但动荷载部分还有风荷载勉强有荷载规范对模板支架结构形式近视计算，但浇捣过程中砼输送泵的富裕能量的 （输送机的能量设置总是大于可输送的高度和路线长度）连续作用在浇捣的楼面上的动力效应的积累 （振动效应）的研究还是一个计算难题，现在我们希望在设定输送机能量的设置不要过于富裕来减轻动力效应。这就理应把砼布料机的计算也应纳入模板支架设计内容的计算日程。

静荷载相对来说较容易解决，如搭设误差荷载容易定量。另一方面我们也应进行扣件在砼浇捣前后的拧紧力矩的变化测试研究，因为有些工程坍塌是在砼浇捣结束后发生 （从广西质检总站曾提供的录像资料）。与此同时应进行模板支架浇捣前后的变形研究。

在构造上我们可以将上部顶层加水平剪刀撑以大大分散动力荷载分散对局部的强力作用。顶层上部水平支撑的作用不可小视。

结语：模板支架规范已跨过世纪一直困惑我们。我在《中国建设报》也曾发文呼吁 “以基础理论来支牢模架”。在国家经济大好的形势下，实践与理论紧紧结合起来，未来还是光明的：既重视理论宏观的把握又重视及细小的零件问题，模板支架安全的灰色时代将一去不复返。

[1]熊耀莹.模板支架应用基础理论支牢. 《中国建设报》建筑科技第三版,2007.1.27.