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冷轧轻钢骨架住宅技术标准为什么姗姗来迟?

 一、历史包袱太重

 1949年,新中国刚刚成立,百业待兴。为了尽快构建新中国的科学技术体系,投入社会主义建设,新中国全面掀起了学习前苏联的高潮,并从前苏联全盘引进了现代科学技术体系,当然也包括现代建筑教育体系。

 这也是中华民族第一次系统的创建了现代科学技术体系。

 为了快速,就必须减少,甚至是不允许技术专家门去做无休止的讨论,他们只有执行的份,当时很多知识分子,甚至是很有威望的知识分子都不理解,当然,也有说三道四的,但没有办法,因为没有时间让他们坐下来去漫无边际的展开讨论,4亿人都在等着党和政府拿出办法来解决“衣、食、住、行”问题呢。

 这充分说明了政治家的智慧大大高于技术专家。政治家是从战略(系统)的角度考虑问题,技术专家往往只考虑战术(局部)问题。即他所了解的那点技术问题,缺少宏观战略考虑,而局部再完善,脱离了系统,或没有系统,再好的局部也没有用。正是在这套科学技术体系的支持下,中国人才成功的完成了二弹一星任务。

 今天看来,当年制定的这套科学技术体系尽管有着这样和那样的毛病,但经过多年的修改和补充,已经越来越完善,并发挥着巨大作用。

 一开始苏联专家制定的课程里是有《钢结构》课程的,后来由于诸多原因,逐步被砍掉了。主要原因是没有人会教,次要原因是没有人学,因为当时中国人连砖混房都还没有住周全,那里还谈得上住钢结构住宅。

1957年以前,中国还没有自己的冷弯型钢结构规范,只能借用美国的冷弯型钢结构规范(1946版),所以当时的钢结构设计方法采用的总安全系数的容许应力设计方法。

 在学习前苏联的社会主义建设高潮中,中国全部建筑设计标准都完全套用前苏联的设计标准和技术规范。

 1957~1974年采用的是“苏修”的“极限状态三系数法”。

 S=γGSGK+ψQγQSQK+ψwγwSwK

 中国最早一本《冷弯薄壁型钢结构技术规范》是1969年编制的。由于政治原因,该规范要区别于“苏修”的“极限状态三系数法”和“美帝国主义”的“容许应力法”,标准编制人员力争把该标准编制成具有中国特色的规范,所以该标准的设计表达式为“标准荷载、基本应力和区别对待的各种条件的调整系数”的设计方法,即“基本应力法”。

 实际上,69版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》只是起了一个具有中国特色的名字, “基本应力法”内容还是以“苏修”的“极限状态三系数法”为主。

 75版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》只是对69版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》作了部分修改,采用了基于单一安全系数考虑调整系数的容许应力法,与69版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》所采用的“标准荷载、基本应力和区别对待的各种条件的调整系数”的设计方法没有本质上的变化。

 87版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》采用了以概率论为基础的极限状态设计方法,并以分项系数设计表达式进行计算。基础理论没有重大突破,设计方法也没有发生重大变化,只是根据工程实践总结和一些试验数据来调整一些系数。在物理概念上进一步与国际接轨,物理名称上的中国特色少了很多,这主要是为了国际交流而被迫作出的让步。

 2002版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》只是在87版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》基础上调整了一些参数和时限。标准中所涉及的一些物理名称更加接近国际标准,这就更加方便了国际交流。

 40多年来,《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的编制与修订,凝聚了几代专家、学者的科研成果和工程实践经验。为中国钢结构技术的发展做出了不可磨灭的贡献。

二、与国际先进技术标准严重脱节

 40多年来,国际钢结构技术发展突飞猛进。

 1939年,由美国钢铁学会(AISI)出资,由康耐尔大学(Cornell University)的乔治·温特(George Winter)教授负责对薄壁冷轧钢材构件进行实验和设计理论研究。

 1946年,第一本薄壁冷轧钢材构件的容许应力设计(ASD)规范问世。

 1986年,美国钢铁学会(AISI)首次采用屈曲强度理论和允许应力设计(ASD)方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》(AISI 1986)。

 1996年,美国钢铁学会(AISI)首次采用荷载和抵抗系数设计(LRFD)方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》(AISI 1996)。

 2004年,美国钢铁学会(AISI)首次采用直接强度方法(DSM)编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》(AISI 2004)。

 1946~1996这50年是国际上薄壁冷轧钢材应用技术普及期,发达国家的《冷轧钢材结构构件设计规范》基本都是采用容许应力设计(ASD)方法。

 1996年以后,是国际上薄壁冷轧钢材应用技术高速发展期,发达国家的《冷轧钢材结构构件设计规范》基本都是更换成荷载和抵抗系数设计(LRFD)方法。

 但40多年来,中国的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》在设计理论和设计方法上却没有根本性的变化,都是在“极限状态三系数法”基础上做文章,与国际上通行的允许应力设计(ASD)方法,以及最近非常流行的荷载和抵抗系数设计(LRFD)方法严重脱节,根本就谈不上先进与落后。不但是钢结构规范,几乎所有建筑规范都成了阎锡山的铁路,都基本无法与国际先进建筑规范接轨。

三、其它行业情况

 建国初期,以及其后的很长一段时期,几乎所有行业都是全盘照抄前苏联的标准和规范。

 但到了70年代末,机械行业就已经跟上了国际形式,大部分技术标准都与国际标准接轨了。

 77届学机械工程的学生都知道,他们在上大学的时候,公差配合和表面粗糙度还是50年代从苏联抄来的标准,快毕业时,做了部分调整,刚参加工作就完全采用国际标准了,从1978到1982这4年的时间里,公差配合和表面粗糙度完成了质的跨越,终于和国际先进标准接轨了。这里还有一个笑话,就是50年代我们刚刚从前苏联抄回了公差配合和表面粗糙度标准,前苏联自己就采用了国际标准,也就是说中国在50~80年代,是全球唯一使用前苏联的公差配合和表面粗糙度标准,因为连前苏联人自己都不使用了。

 我估计,中国现行的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》也和50~80年代的中国机械行业公差配合和表面粗糙度一样,是全球唯一以“极限状态三系数法”为基础编制出来的。估计前苏联也早就不用“极限状态三系数法”了。

 改革开放初期,家用电器、汽车、电子通讯、IT等新型行业一开始也强调中国标准要有中国特色,当时的中国特色主要是降低标准,因为当时这些行业的设计和制造工艺水平与发达国家差距过大,无法达到国家先进标准的要求。

 中国在编制家用空调和空调压缩级国家标准时,一开始当然大家都认为要自己从头来,编制出有中国特色的标准。编着,编着就发现问题不对,既劳命伤财,又浪费时间,关键是我们的产品出口时,别人根本就不认可你费劲编制出来的标准,因而还是等效或完全采用国际标准为好。反正技术标准也没有姓“资”和姓“社”的问题。

 到了90年代,这些行业基本上都已经赶上发达国家的技术水平,尤其是出口量剧增之后,能够等效或完全采用国际标准已经成为企业对外宣传的噱头和时尚,谁能等效或完全采用国家标准,不但能获得国内外订单,还能获得政府给予的奖励。

 像家用电器和汽车制造业,如果那个企业胆敢说自己不等效或不完全采用国际标准,就等于宣判了自己的死刑。

 当然,今天的家用电器和IT行业,我们的标准不但赶上了国际先进标准,甚至有的还超过国际先进标准,而被国际标准所采纳。但这一切都是以你可以进入市场,然后才有赶上的可能,像冷轧钢结构技术这样,一开始就用落后的技术标准把国际先进技术堵在国门之外几十年,那将是永远也赶不上国际标准的。

 几十年来的现实已经证明,在中国,只要是等效或完全采用国际标准的行业,就都是国际竞争中的骄娇者;无法,或不愿意等效或完全采用国际标准的行业,就都国际竞争中的落后者。

 现在的中国建筑业还无法向其它行业那样走出国门,所以标准和国际先进技术脱轨的问题还没有完全反应到生产建设中。一旦要走出国门,所有问题就都会暴露无遗。

 目前北美(美国、加拿大、墨西哥)、欧盟、澳大利亚(包括新西兰)、日本等发达国家和地区,《冷轧钢材结构构件设计规范》基本都是采用允许应力设计(ASD)方法,、荷载和抵抗系数设计(LRFD)方法,以及直接强度方法(DSM)。

 由于中国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》与发达国家和地区的《冷轧钢材结构构件设计规范》设计理论与设计方法截然不同,所以发达国家几十年来在冷轧钢材结构方面所积累的科研成果、实验数据、工程总结,以及标准规范内容都根本就无法与我们的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》相挂钩。如果母规不能与国际先进标准接轨,那么后面所有的工作都无法正常进行。

 美国的《住宅冷轧钢骨架说明性方法》是以美国的《冷轧钢材结构构件设计规范》为基础设计的,可操作性极强,不需要使用者懂建筑,也不需要使用者懂建筑结构,只要使用者认识字,就可以根据《住宅冷轧钢骨架说明性方法》来做建筑构件的选型设计。根本就不像中国的建筑规范,不但学建筑的本科学生看不懂,就是学建筑的博士生也要经过不断的培训才能看得懂。

 如果要在中国发展冷轧轻钢住宅,首先就要解决设计规范问题,而按照中国87版或2002版的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》来编制冷轧轻钢住宅设计规范难度非常直大。即使能够很费劲的编制出来,我估计可操作性也很差,使用起来也相当吃力,最终会出现标准归标准,应用归应用,双方互不搭界的尴尬局面(即报建、报批采用中国标准,否则你无法通过审批程序,而实际应用却要采用国际标准,否则你就无法真正进行设计和制造),而且中国冷轧钢结构最终还是要走向国际市场的,自立门户是要吃亏的,其它行业已经有了先见之明。

 改革开放之初,尽管“河上有桥,但毕竟雾太大了,看不清楚,所以要摸着石头过河”。所以当时强调要自己另起炉灶,费力费神的编制标准是情有可原的事情。但时过境迁,我们已经加入了WTO,已经与世界接轨,一切事情都看得拎清的很,况且标准又没有姓“资”和姓“社”的问题。所以就没有必要再另起炉灶,费力费神的编制标准,即使要编制,也要等我们这个产业做熟悉了,等了解了水深水浅,再去编制符合中国国情的冷轧钢住宅标准,也未尝不可,何苦一下子就把门封死,把国际上已经非常成熟的技术标准拒之于国之门外长达几十年之久,使我们自己的产业发展不起来。

 所以我十多年前就提出要等效或完全采用美国《冷轧钢材结构构件设计规范》(AISI 1986),以及《住宅冷轧钢骨架说明性方法》,但却遭到建筑行业人士的一致反对,理由是中国标准一定要自己编制。这样一来,在讨论标准是姓“资”,还是姓“社”的过程中,一晃就熬过了十几年漫长时光,以至于十多年后今天,中国仍然没有争论出一本可以应用的冷轧轻钢住宅设计规范。

四、“冷弯(Cool bending formed)”和“冷轧(Cool rolling formed)”的区别

 为什么在我的文章里一会出现“冷弯”的字样,一会出现“冷轧”的字样,这里需要解释一下。“冷弯”是建筑业词汇,“冷轧”是制造业和冶金业词汇,我是从制造业跨行到建筑业的,所以在很多场合还是习惯于使用制造业词汇。

 实际上,在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中,有很多与国际标准不接轨的物理名称,这主要是制定标准的人大部分是建筑从业人员,对薄壁型钢构件加工制作的制造业不熟悉。最显著的当然就是“冷弯(Cool bending formed)”了。

 但当我每次听到或看到“冷弯(Cool bending formed)”二字,就觉得特别别扭,“冷弯”应当是50多年,甚至更早以前的的薄壁型钢构件制造的工艺词汇,那时候基本都是采用折弯机来加工薄壁型钢构件,所以把薄壁型钢构件简称为“冷弯”构件是无可非议的。

图1 目前最长的折弯机也就8米长

 而自从“冷轧(Cool rolling formed)”工艺发明以后,只要是大批量生产,基本都是采用“冷轧(Cool rolling formed)”的方式来加工薄壁型钢构件的。因为只有这样,才能保证加工精度和快速生产。

图2 冷滚轧设备可以轧制任意长构件

 尽管建筑规范把“冷轧(Cool rolling formed)”称之为“冷弯(Cool bending formed)”,但制造业和冶金行业仍然会按照国际惯例去取名字,例如,“轧钢厂”就是轧钢厂,没有人敢于把“轧钢厂”称之为“弯钢厂”;制造冷轧设备的工厂也绝不会把“冷轧设备制造厂“称之为”弯钢设备制造厂“,也更不会把“冷轧”设备称之为“弯钢”设备。

 更重要的是“冷轧(Cool rolling formed)”出来的薄壁型钢构件的机械性能要大大好于“冷弯(Cool bending formed)” 出来的薄壁型钢构件,因为“冷弯(Cool bending formed)”是一次成型(就像刀切馒头,咔嚓一下就下来了),容易破坏(撕裂和擦伤)薄壁型钢构件,而且构件的尺寸稳定性很差,很容易翘曲和扭曲,如果原材料材质不均匀,可能刚刚做出来就扭曲了。“冷轧(Cool rolling formed)”是多次、缓慢成型(就像揉面,能够揉出筋道来),基本不破坏被加工材料,构件的尺寸稳定不变,在自由状态下很少会出现翘曲和扭曲现象。

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