我国住宅建筑是按使用寿命 50 年来验收,这一标准是怎么来的?

什么时间起草的标准?为何界定50年?农村最普通的泥瓦匠盖的房子使用寿命也不止50年啊!
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使用寿命只是个俗称,并不是一个严格的工程术语。所谓的使用寿命50年,也不是说50年后房子就不行了。

准确的说,涉及到寿命方面有两个工程概念。一个是“设计基准期”,一个是“设计使用年限”。

设计基准期

设计基准期,design reference period,指的是用来确定各种可变荷载的可靠取值时的时间界限。

举个例子,你家客厅,可能平时就你家两三个人,但有时候会有几个朋友来串门,可能每年还有一两次人特别多的朋友聚会。如果要设计你家客厅,我要考虑这间客厅需要承载多少个人的重量呢?如果按你们家两三个人的重量设计,那朋友聚会的时候可能会严重超载,导致不安全。如果按朋友聚会的几十个人的重量设计,安全倒是安全,但是一年可能只有一两次能够满载,其余时候都是浪费,显得很不经济。

再比如说,一个仓库,货物不停的进进出出,有时候仓库是空的,大部分时候有货物,偶尔还会堆特别多、特别重的货物。设计这个仓库的时候,考虑它承载多少重量才是合理的呢?同样的,太少则不安全,太多则浪费,没有必要。

还比如说,我设计某地区的房子,怎么考虑它遭受地震的可能性呢?绝大多数时候没有地震,偶尔会有小地震,极其罕见的时候会有大地震。如果我按绝大多数时候的情况设计,丝毫不考虑地震,那肯定不安全。但如果我按极其罕见的大地震考虑,那盖房子的造价会无比之高,大家挣的钱也别干别的了,全都用来盖房子了。

风雪的问题也是一样。可能大多数时候没有风雪,有时候有小风、小雪,有时候有大风、大雪,极其罕见的时候还有台风、暴雪。怎么取舍也是一样的道理。标准太低则不安全,标准太高则不切实际、太过浪费。

怎么做才合理呢?工程设计没有100%保证这一说,只有基于概率的可靠度保证。比如,我把你家客厅的设计基准期定为1年,可靠概率设为90%,然后统计一下你家客厅1年内每天的实际承载重量。一年365天,共有365个统计数据,基本符合正态分布。然后我取相当于90%的那个分位值,一般差不多是平均值加上1.5倍的标准差。这个值就作为你家客厅的承载重量设计取值。也就是说,这个值比你家客厅1年中90%的天数里的实际承载重量要大。

当然,把你家客厅的设计基准期定为1年是不太合理的。因为1年的时间可能没有足够的代表性。可能你明年生了个小宝宝,人来人往就多了;或者后年把房子卖了,新房主是个书痴,客厅里堆的全是书。这些情况都需要考虑,因此,设计基准期越长,越能代表各种可能性,越能尽可能多的代表不同情况。但基准期定的太长也没意义,社会在发展变化,没有什么是一成不变的,设计理论、实际规范都要根据实际情况进行不断的更新。十多年前,谁家卫生间有浴缸啊?现在呢?好多人都买了铸铁的按摩浴缸。所以呢,定的太久没有意义,无法预见未来的可能性。综合考虑,目前的规范把房屋建筑的设计基准期定为50年。

具体来说,我在设计你家客厅的时候,考虑的活荷载设计值是每平方米200公斤。因为经过实际的抽样调查、实际测量、统计,得出的全国范围内50年基准期内大约79.1%的概率,客厅每平米承载的重量不超过150公斤。考虑适当的放大,把设计值定为200公斤。

风雪也是一样,我们常常听到类似“50年一遇的大风”这样的说法。设计房子的时候,风荷载、雪荷载的取值,就是实际测算50年设计基准期内的风雪情况,然后取最大值。

地震同样也是如此。比如我们说“芦山县的设防烈度是7度0.15g”,这句话不等于说“芦山县不会发生7度0.15g以上的地震”,而是说“芦山县50年设计基准期内,发生7度0.15g地震的超越概率是10%”。也就是说,发生8度地震乃至9度、10度地震的可能性远远小于10%,但不等于绝对没有可能。简单说,把所有可能发生的地震排好,从烈度最小的到最大的,我们只管烈度比较小、发生概率非常大的那大多数(也就是7度0.15g及以下),剩下烈度比较大、发生概率极其低的那一小部分(也就是8度及以上)则属于小概率事件。

看到这里,有的同学会说了,这不就是不负责任吗?小概率事件难道就不管了?怪不得这么多房子倒了!你们这些工程师真是拿大家生命开玩笑!

其实,对于房屋结构设计过程,至少在理论上,你大可放宽心。因为工程实践不是理论科学,没有什么是准确值。你认为混凝土强度、砖的强度、钢筋的强度都是准确值吗?你认为你家每一块砖、每一根钢筋的强度都一样吗?当然不是,材料的设计强度也是用同样的统计学方法确定的。比如,C30混凝土的意思是,把这一批混凝土的强度统计出来,做一个正态分布,去掉最差的5%左右,剩下的强度全部高于C30。类似于你们班100个人,考试成绩各不相同,从后往前排,去掉倒数的5个,倒数第6名得了30分,你们全班就全部都被定义为30分,但实际上里面有不少80分、90分的,绝大多数也起码40分。也就是说,你家用的钢筋、砖头、混凝土的实际强度有很大的概率要远远超过它名义上的强度,再加上设计中的各种系数,实际的效果是:在这50年内,你家房子90%的时间非常安全,10%的时间比较安全。但如果你硬要做到99%的时间非常安全,那这代价就大了去了,没有什么必要。

对于抗震设计来说,也是同样的原则,所谓的50年基准期内“小震不坏,中震可修,大震不倒”。如果你非要做到“中震不坏,大震可修”甚至“大震不坏”,技术上也没有太大的难题,但造价会非常之高昂。为了那个概率极低的大震,多花这么多钱值不值得?何况,抗震设计原则是“大震不倒”,而不是“大震随便”。这次的芦山地震就有类似的例子,填充墙破坏、门窗损毁、甚至部分楼面坍塌,但只要主体结构还在,没有垮塌,能够坚持着让人们安然撤离,这就基本上已经达到了预定的抗震目标。如果你一定要填充墙、门窗、女儿墙等等全部不破坏,也能做到,但不值得这么做。

有的同学又问了,50年后呢?50年后,可能一切都变了。大家可能要在家里放铸铁浴缸、放大的热带鱼缸、放硕大的各种科幻小说里才有的设备,风雪也可能因长期气候原因而发生变化,地震的可能性也可能因为长期的地质情况而发生变化,各种新材料、新技术也会不断出现。汽车需要年检、维修、保养,这个大家都能理解,其实房子也是一样的。一味的加长设计基准期没有任何意义,还会因为不能准确预估未来的变化而造成大量不必要的浪费。合理的做法,是定期的检修、维护房屋,与时俱进,根据实际情况不断的改进、加固房屋。这样既能符合实际情况的变化,又能有的放矢,节约成本。

设计使用年限

设计使用年限,design working life,指的是结构不需要进行大规模维修就能按预定目标使用的时期。

不像设计基准期统一定为50年,设计使用年限可以分好多档,业主可以自由选择。比如修一个临时自行车棚,过几年就拆掉,那我可以把设计使用年限定为5年,各种设计要求可以相应降低。比如说抗腐蚀的耐久性要求,就可以适当低一些,反正最多5年后就拆掉了;抗震设计的要求,也可以低一点,因为50年内发生设防烈度地震的概率才10%以上,在这5年内就发生这样地震的概率更是要低得多。

一般来说,设计使用年限和设计基准期配套,都是50年,因为现在的设计理论、设计参数都是基于50年基准期的,换言之,只管这50年的情况。50年后,要根据50年后的情况进行维护、修理和加固。

如果业主认为该建筑极其的重要,或者说具有非凡的纪念意义,可以把设计使用年限定为100年甚至以上。严格说来,现在的设计参数是不适用的,因为反映的只是50年基准期内的情况。要设计使用年限100年的,就必须采用100年基准期的设计资料。比如说,100年内10%概率以上的地震烈度和50年内10%概率以上的地震烈度很可能是不一样的,想要设计使用年限100年,就应该采用100年内的数据,而不是50年内的数据。

但是很多时候,规范并没有给出100年基准期内的各种情况,所以,真的想要使用年限100年,采用的方法就是近似放大。先按50年使用年限取值,然后再统一放大,比如在内力计算的时候,重要性系数放大1.1倍。各种耐久性的措施,也要相应的加大,比如混凝土保护层厚度要加大、氯离子含量要降低。这也很好理解,结构要在不大修的前提下多服役50年,所以要留出充足的抵挡意外情况、抵抗腐蚀的余量来。

关于农村自建房

“农村最普通的泥瓦匠盖的房子使用寿命也不止50年啊!”我不知道这个论断的依据在哪里。至少我很少见到建于1963年的农村自建房。我出生的房子建于八十年代初,十年前屋顶就塌了,现在已经是残垣断壁了。

我在大学期间的假期,一个人做过一个田野调查,走了好几个村庄,实地调查了农村自建房问题。结合这些年来相关媒体的报道,我个人感觉,农村自建房确实是一个很大的问题,基本是一个被现代工程科技、现代工程规范所遗忘的角落。类似于户口制度的城乡双轨制,房屋建设也是城乡双轨制,广大农村地区的自建房根本就没有设计、规范、监理、抗震的概念

对基础不重视、大量的底框结构、层高过高、构造柱圈梁设置过少甚至没有、楼面梁截面配筋过小、多数有二层悬挑、部分采用劣质材料……这些问题都很严重,但在一个个泥瓦匠团队中却被视作稀松平常。大把的钱花在了装饰、装修、甚至风水等无关紧要的方面,却几乎没有人注意结构安全问题

汶川震后,谢英俊还有其它团队在震区推广轻钢结构,取得了不错的成果。但可惜的是,绝大多数的震区重建还是在走老路。芦山地震来了,又重演了一遍悲剧……

我不知道出路何在,但这样的现实让我心情很沉重。

我期望有朝一日,我们也能有Engineers Without Borders 这样的公益组织,我们也能意识到,适当的技术援助或许比单纯的财物援助还要重要。