可持续发展理念在钢筋混凝土结构教学中的渗透实践

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

摘要：本文阐述了可持续发展工程结构的内涵及在钢筋混凝土结构教学中引入可持续发展理念的重要性。结合多年的科研工作，将结构设计理论的最新研究成果渗透到钢筋混凝土结构教学中，通过分析设计可持续发展工程结构的方法和途径，结构概念及耐久性与可持续发展的关系，逐步培养学生可持续发展工程结构的意识，取得了较好的教学效果。

关键词：钢筋混凝土结构；教学；可持续发展；实践

中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0196-02

进入21世纪，可持续发展观念开始渗透到社会各个方面，现已成为世界上许多国家的发展战略。1987年，联合国首次提出并定义了可持续发展——“既能满足现代人类要求，又不损害人类后代满足自身需求能力的发展形式”。

一、可持续发展工程结构内涵

何为可持续发展工程结构？浙江大学金伟良教授等认为[1]：工程结构的完整周期应该包括规划、设计、施工、运营、老化及废除各个阶段。可持续发展工程結构就是要求结构在设计中涵盖上述各个环节，并体现生态环境可持续性、经济发展可持续性和社会文化可持续性。从上述定义表述可以看出，结构设计涵盖多个环节就是要求设计中不仅应考虑施工完成后的结构状态，还应考虑到使用及老化等各个阶段结构抵御随机外荷载作用的能力；不仅应考虑到结构一次投资建造的费用，还应考虑到后续维修，加固，改造等的费用，不仅应考虑当前的利益、还应考虑后期的风险。

二、可持续发展理念在钢筋混凝土结构教学中渗透的重要性

钢筋混凝土结构是土木工程中常见的结构形式，也是我国基础设施的主导结构。随着国民经济的持续快速发展，土木工程建设的规模不断扩大，对资源和能源的需求迅速增加，特别是对水泥和钢材需求增长更为迅速。水泥、钢材作为钢筋混凝土结构的主要建筑材料，其生产、建造及使用过程中，一方面不断消耗自然资源，另一方面对环境施加各种负面影响。如生产水泥所需的石灰石、黏土及用作混凝土集料的砂石开采，会占用耕地，破坏植被；原材料钢筋、水泥、砂石等的生产、运输过程需要消耗大量的能源，能源消耗的同时向大气、土壤和水中排放CO2、粉尘、噪音、废液及固体废物等。当对环境的影响超过一定的程度，反过来，环境也会给人类的生活、生产过程带来严重的影响。如大量CO2的排放不仅加剧温室效应，它还和SO2与NOx一道形成酸雨危害农作物及植被，加速材料和构件性能劣化的速度，缩短结构的使用寿命，造成大量的建筑垃圾等。

三、可持续发展理念在结构设计理论教学中的渗透

结构设计理论是钢筋混凝土结构构建设计计算的理论基础，是平衡结构安全与经济的科学依据，也是能否设计出具有可持续发展工程结构的关键所在。目前结构设计理论所采用的基于概率理论的极限状态设计法（现行设计法），主要以满足结构承载能力和刚度条件为设计要求，并主要针对施工完成后的结构状态，对结构性能退化及耐久性等问题未作充分的考虑[2]。按照这样的理论方法所设计的结构，尤其是一些恶劣环境条件的港口、码头、桥梁等结构，经过实践检验发现，许多都出现了使用性能差、耐久性低、服务寿命短等问题。为此，不得不花费巨额资金予以维修、加固甚至拆除重建等。造成不必要的经济损失及资源浪费，与国家的可持续发展和科学发展观不符。为了将可持续发展设计的理念传授给学生，笔者立足于现行结构设计规范和教材，首先对现行设计理论、方法进行深入细致的讲解，并分析其存在的问题。在学生掌握了现行设计理论、方法的基础上，结合自身多年的科研工作及最新研究成果，逐步引入结构可持续发展设计的理念，即结构全寿命设计的理念，让学生明白结构全寿命设计（可持续发展设计）需要从结构规划、设计、施工、使用、老化及废除的各个环节综合考虑结构的整体性能，才能使其达到最优或优化。然后从结构设计目标、材料性能、经济指标等多方面对比分析现行结构设计与全寿命设计的区别，如全寿命设计相对于现行结构设计而言，除了需考虑结构的安全、经济、耐久目标外，还需要考虑用户的满意、社会环境及可持续发展的目标等。

四、加强结构概念分析，培养学生可持续发展的工程意识

钢筋混凝土结构的可持续性涉及结构整个寿命期内消耗的资源以及对环境的影响。因此，在确保结构安全可靠性能的基础上，提高钢筋混凝土材料的利用率、减小材料的消耗量，在取得较好的经济效益的同时也是对生态环境的贡献。在多年的钢筋混凝土结构教学中，笔者通过归纳、总结、强化结构概念分析等教学方法，引导学生如何通过提高材料利用率来设计截面型式、结构型式等，以实现可持续发展工程结构的目标。例如，在分析受弯构件截面型式选择过程中，从材料效用的角度出发引导学生分析，矩形截面梁由于截面存在应变梯度，靠近中性轴的材料应力水平很低，于是将靠近中性轴附近的材料部分去除，就形成了T形、I字形、箱形等截面形式，在不减小构件承载力的情况下，可以增大跨越能力，节省混凝土材料的用量，这样，学生不仅学会了怎样去比较截面型式的优劣，也明白了钢筋混凝土受弯构件通常不会做成圆形截面的道理。

同样在分析结构形式演变过程中，对于矩形截面梁，因为梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段应力水平均较低。由于梁截面应变梯度的存在，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是产生了拱结构及合理拱轴线的概念，但由于拱结构曲线构造的复杂性，使设计和施工都比较费劲，于是又出现了平面桁架形式。平面桁架可以理解为“淘空”的梁，即将梁中多余材料去除，既经济，又可降低自重，故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。在平面桁架的设计过程中，应努力增加其平面外的刚度提供平面外约束（增加支撑），若将这些平面外的支撑再连接成桁架，就会使平面格架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。

五、结构耐久性对可持续发展的影响

混凝土结构的耐久性是结构在可能引起其性能变化的各种作用（荷载、环境、材料内部因素等）下，在预计的使用年限和适当的维修条件下，结构能够长期抵御性能劣化的能力[3]。过去人们一直认为混凝土结构是经久耐用的，然而，近几十年的工程实践和研究表明，混凝土结构的耐久性是一个不能忽视的重要内容，耐久性不足将导致结构性能退化，安全可靠性能降低，增加结构使用过程中的维护、维修加固费用及资源和能源的消耗。显然，结构的耐久性与可持续发展的关系十分密切，如何在传授课本知识的过程中，引导学生设计耐久、长寿命的混凝土结构，是任课教师面临的新课题，也是建造可持续发展工程结构的需要。然而，在目前钢筋混凝土结构教科书和教学内容中，仅个别章节提到了混凝土耐久性的概念，且缺乏细致深入的分析和相关的耐久性设计方法。鉴于此，笔者在钢筋混凝土结构教学过程中，收集了部分典型耐久性劣化现象的实际工程图片展示给学生，使学生直观地感受到耐久性不足对结构造成的严重危害以及加强结构耐久性设计的重要性。

六、结语

随着社会经济持续快速地发展，人类社会正面临着资源、能源短缺，生态环境不断恶化的危机。设计可持续发展工程结构是缓解上述危机的重要途径。通过分析设计可持续发展工程结构的方法和途径，结构概念及耐久性与可持续发展的关系，逐步培养学生可持续发展工程结构的意识，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]金伟良，钟小平.可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系研究[J].中国工程科学，2012，14（3）：100-107.

[2]金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京：科学出版社，2002.

[3]金伟良，钟小平.结构全寿命的耐久性与安全性、适用性的关系[J].建筑结构学报，2009，30（6）：1-7.