徐光黎, 倪光斌,趙新益,曾長賢
(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,武漢 430074; 2.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院鐵路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所,北京 100038;3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)
隨著WTO和ISO的推進(jìn),特別是,ISO2394《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》[1]這一引領(lǐng)性國際標(biāo)準(zhǔn)的頒布,使極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法成為世界主流[2-4]。為適應(yīng)世界這一發(fā)展趨勢,我國建筑、港口、水利水電和公路部門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范先后也采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。2011年,鐵道部為推進(jìn)鐵路工程極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法工作,作出了全面、系統(tǒng)的部署。
日本在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方面,設(shè)立了很多的研究委員會,到世界各國進(jìn)行學(xué)習(xí)、考察,進(jìn)行了大量的系統(tǒng)的研究,取得了豐碩的研究成果[5]。例如,2001年,日本成為ISO巖土工程極限狀態(tài)設(shè)計(jì)國際技術(shù)委員會ITC23的東道國,致力于性能設(shè)計(jì)規(guī)范的開發(fā)。2002年,出版了日文和英文2個(gè)版本的《土木·建筑設(shè)計(jì)基本規(guī)定》[6];2003年3月,頒布了《制定基于性能設(shè)計(jì)概念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的原則、指針和術(shù)語》(簡稱code PLATFORM ver.1)[7-8];2009年頒布了《制定基于性能設(shè)計(jì)概念的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則》(JGS4001—200*)[9]。例如,文獻(xiàn)[9]對構(gòu)造物設(shè)計(jì)的基本規(guī)定、巖土工程勘察及土工參數(shù)、淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、柱狀基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、支擋結(jié)構(gòu)、施工、路基設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則作出了基本規(guī)定。這些先導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn),為后續(xù)的行業(yè)規(guī)范制定奠定了良好的基礎(chǔ)。
鄰國在公路、鐵路、港口、機(jī)場、水利等行業(yè)規(guī)范的修訂中,都納入了基于極限狀態(tài)概念的性能設(shè)計(jì)法理念,提出了對安全性、使用性和修復(fù)性極限狀態(tài)的性能要求,校核方法[10]。修訂的行業(yè)規(guī)范、指針和手冊等,目前都已經(jīng)基本完成?!惰F道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說》一攬子規(guī)范已于2012年7月全部修訂完畢[11-16],實(shí)現(xiàn)了性能設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軌工作。同時(shí),日本為應(yīng)對鐵路標(biāo)準(zhǔn)國際化,于2010年專門成立了“鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心”[17],在標(biāo)準(zhǔn)國際化方面取得了令人矚目的成就。日本官產(chǎn)學(xué)研齊心協(xié)力,前瞻性、周密、系統(tǒng)的行動和經(jīng)驗(yàn),值得我們借鑒。
制定國際標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)有: (1)IEC(International Electrotechnical Commission,國際電工委員會),于1906年成立,至今已有100多年的歷史,是世界上成立最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu),負(fù)責(zé)有關(guān)電氣工程和電子工程領(lǐng)域中的國際化標(biāo)準(zhǔn)的制定;(2)ISO(International Organization for Standardization,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織),成立于1947年,承擔(dān)所有領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)的制定,由ISO的技術(shù)委員會完成國際標(biāo)準(zhǔn);(3)ITU(International Telecommunication Union,國際電信同盟),由1865年萬國電信同盟發(fā)起,1993年成為聯(lián)合國的一個(gè)專門機(jī)構(gòu),主管國際無線電通信、標(biāo)準(zhǔn)化和發(fā)展電信展覽活動。
按照標(biāo)準(zhǔn)屬性分類,有:
法定標(biāo)準(zhǔn)(de jure standard),如SI單位、ISO標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)等由公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體制定的標(biāo)準(zhǔn),具有法律效應(yīng);
約定俗成標(biāo)準(zhǔn)(de facto standard),又稱實(shí)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)等,如微軟公司的軟件Windows、二維碼等,雖然沒有法律的強(qiáng)制性,但在市場上被廣為采用的標(biāo)準(zhǔn)。在某種事物還沒有標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候,由擔(dān)事的各方相互妥協(xié)而成的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。
按照性能分類,有:
體系標(biāo)準(zhǔn)(對體系規(guī)格規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn));
硬件標(biāo)準(zhǔn)(對各個(gè)器械、部件規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn));
軟件標(biāo)準(zhǔn)(軟件編程的流程等的標(biāo)準(zhǔn));
信賴性、安全性標(biāo)準(zhǔn);
生產(chǎn)方法標(biāo)準(zhǔn);
試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn);
資格認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)(軟件編程能力、技能等標(biāo)準(zhǔn));
第三方認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn) 等。
鐵路國際化標(biāo)準(zhǔn)主要與IEC、ISO標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)[18]。
在國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)中,設(shè)置了專門的鐵路專業(yè)技術(shù)委員會——TC9(鐵路大氣設(shè)備與系統(tǒng))。日本鐵路綜合研究所于2004年,開展了日本TC9技術(shù)委員會活動[18]。
在國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO標(biāo)準(zhǔn)中,有對于軌道、車輛材料等部件、器械等的規(guī)格、試驗(yàn)方法方面的標(biāo)準(zhǔn),卻沒有專門的鐵路專業(yè)的技術(shù)委員會(TC,Technical Committee)。各標(biāo)準(zhǔn)是在其他相關(guān)的專業(yè)TC中討論、審查而形成的。因此,在不同專業(yè)領(lǐng)域的團(tuán)體下制定鐵路標(biāo)準(zhǔn),并不是一件容易的事情。
歐洲為了雄霸國際市場,作為戰(zhàn)略性策略來加速歐共體的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,并努力把歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN提升為國際標(biāo)準(zhǔn)。在CEN(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會,與ISO相當(dāng))、在CENELEC(歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)化委員會,與IEC相當(dāng))中,分別設(shè)置了鐵路專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)委員會TC256和TC9X。歐盟科技框架計(jì)劃(Framework Program,簡稱FP)是當(dāng)今世界上最大的官方科技計(jì)劃之一,預(yù)算急劇增長,第7個(gè)FP總預(yù)算達(dá)505.21億歐元。從1994年第4個(gè)FP就開始了鐵路大型技術(shù)開發(fā)工程。在FP4中,與鐵路關(guān)聯(lián)的工程有:歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)ERTMS,歐洲火車制動系統(tǒng)ETCS,鐵路無線通信系統(tǒng)GSM-R等工程。在此基礎(chǔ)上,形成了歐洲鐵路信號系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。
日本亦不甘落伍,為便于與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌,提升鐵路產(chǎn)業(yè)的國際戰(zhàn)略,2008年6月,根據(jù)國土交通省交通政策審議會陸上交通分會鐵路部會的提議,組建了國家級的“鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)查研究會”,并設(shè)置了“鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心”,取得了后述的諸多成果[17]。
2010年4月,在公益財(cái)團(tuán)法人鐵道綜合研究所內(nèi)成立了“鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心”(鉄道國際規(guī)格センター),首任中心長為田中裕研究員。設(shè)立中心的目的,就是為了確保日本鐵路運(yùn)輸更加安全、快速發(fā)展鐵路產(chǎn)業(yè),從戰(zhàn)略上構(gòu)建鐵路技術(shù)國際化標(biāo)準(zhǔn),為國家的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)[17]。
為了確保中心活動的公平性和透明性,根據(jù)國家“鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)查研究會”確定的方針、提議進(jìn)行活動,由會員組成的“計(jì)劃運(yùn)營協(xié)議會”審議、決策而行動。運(yùn)營采用會員制形式,由同意成立中心目的并交納會費(fèi)的企業(yè)、法人、團(tuán)體等構(gòu)成。截止2010年12月,已有83個(gè)法人、團(tuán)體會員。事實(shí)上,會員基本上囊括了日本所有與鐵路相關(guān)的企業(yè)或團(tuán)體,如:北海道、東日本、東海、西日本、四國、九州旅客鐵道株式會社,日本貨物鐵道株式會社等單位。
鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心下設(shè)戰(zhàn)略計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)審議和管理運(yùn)用等部門。圖1為該中心所處的位置,是日本國際化窗口——日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(JISC)的一個(gè)支撐單位,是推進(jìn)日本鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國際化的運(yùn)作實(shí)體。
圖1 鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心所處的位置[17]
鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心主要的工作內(nèi)容有:
國際標(biāo)準(zhǔn)的制定、提案;
作為IEC的國內(nèi)審議團(tuán)體和ISO的鐵路事務(wù)局的活動;
戰(zhàn)略計(jì)劃、提案;
基于國際標(biāo)準(zhǔn)對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的提案;
情報(bào)收集、分析與情報(bào)提供;
對外宣傳日本鐵路技術(shù);
提升鐵路人員認(rèn)識及人才培養(yǎng);
推進(jìn)國際合作。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年10月,正在審議的與鐵路專業(yè)相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)有73個(gè),ISO標(biāo)準(zhǔn)有7個(gè)。其中,由日本主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)如下[18]。
(1)裝置的環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)(IEC62498—1~3),這是日本第一次作為召集人(convener)制定的鐵路國際標(biāo)準(zhǔn),包括第1篇:車載電氣;第2篇:地上電氣設(shè)備;第3篇:信號裝置和通訊裝置。本標(biāo)準(zhǔn)的原案是歐洲規(guī)范,已于2010年8月發(fā)行。
(2)架線和導(dǎo)電架相互作用標(biāo)準(zhǔn)(E62486),在該標(biāo)準(zhǔn)中,追加了日本使用的集電系的評價(jià)方法和評價(jià)值,于2010年7月發(fā)行。
(3)關(guān)于自動運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性重要事件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報(bào)告(IEC/TR62267—2),為構(gòu)建自動運(yùn)輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)旅客、工作人員的安全而制定的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)雖然已于2009年7月發(fā)行,但是由日本主導(dǎo)的危險(xiǎn)度解析的技術(shù)報(bào)告(TR)已經(jīng)通過審議,TR部分即將發(fā)行。
(4)車輛電力電容器標(biāo)準(zhǔn)(IEC62128),即將由日本作為國際會議召集人制定。原案就是日本制定的國際標(biāo)準(zhǔn)CDV,包括第1篇:要求事項(xiàng)、試驗(yàn)與一般規(guī)定;第2篇:鋁非固體電解電容器;第3篇:電氣雙層電容器等。
(5)磁懸浮直線電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)(IEC62520),由日本于2007年初次提出,將地鐵磁懸浮直線電機(jī)的性能、試驗(yàn)方法和規(guī)定上升到鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)。終板的國際標(biāo)準(zhǔn)FDIS即將發(fā)行。
(6)用于無線列車控制系統(tǒng)的無線系統(tǒng)的性能要求確定順序,由日本提出的國際標(biāo)準(zhǔn)的新提案。
另外,從2010年5月開始,ISO/TC17(鋼鐵)、SC15(軌道及其附屬物)也由中心管理,開展了日本國內(nèi)的審議團(tuán)體活動。
日本國土交通省于2001年發(fā)出了《關(guān)于鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定省令》(《鉄道に関する技術(shù)上の基準(zhǔn)を定める省令》省令第151號,平成13年)[19],要求鐵路標(biāo)準(zhǔn)從原來的規(guī)格規(guī)定改成性能規(guī)定。由此,鐵路設(shè)計(jì)的一攬子標(biāo)準(zhǔn)開始著手修訂性能設(shè)計(jì)型體系,各相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)前后陸續(xù)修改出版。表1為鐵路標(biāo)準(zhǔn)名稱及最新版出版時(shí)間[11-14]。
表1 鐵路土木工程標(biāo)準(zhǔn)及出版時(shí)間
由表1可知,通過近10年的修訂、完善,現(xiàn)階段日本鐵路土木工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修訂工作暫告結(jié)束,完成了2001年省令第151號關(guān)于鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定的基本任務(wù)。以路基工程為例,1992年出版的土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)為規(guī)格定型設(shè)計(jì),2001年~2006年著手修訂,2007年出版了新的性能設(shè)計(jì)規(guī)定型設(shè)計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)[11];1995年神戶大地震之后,1999年增加了抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)篇,2012年出版了新的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[12]。由此,從形式上,日本鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)全部轉(zhuǎn)軌,性能設(shè)計(jì)法成為今后鐵路設(shè)計(jì)的法律依據(jù)。
修訂后的《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說》,納入了基于極限狀態(tài)概念的性能設(shè)計(jì)法思想[20-24]。性能設(shè)計(jì)流程如圖2所示。首先由業(yè)主考慮鐵路的重要度、軌道結(jié)構(gòu)、修復(fù)的難易程度等條件后確定要求性能;然后,根據(jù)設(shè)計(jì)條件,假定結(jié)構(gòu)斷面,利用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法計(jì)算出反應(yīng)值;針對每一性能設(shè)定的限制值,對計(jì)算出來的反應(yīng)值進(jìn)行校核。
圖2 性能設(shè)計(jì)法流程(以路基為例) [21]
但是,對于很多巖土工程而言,很多場合下比較容易確定,無需過度的設(shè)計(jì)計(jì)算。因此,從效率上考慮,對要求性能作出等級劃分是必要的。同時(shí),針對不同的作用組合,也有必要區(qū)別對待要求性能。表2給出了性能等級和要求性能[22-23]。
表3為結(jié)構(gòu)要求性能與設(shè)計(jì)的主要作用組合。在結(jié)構(gòu)性能校核中,原則上需要考慮在施工、設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)性能隨時(shí)間變化的問題。
表2 性能等級和要求性能(以路基為例)
圖3為基礎(chǔ)抗力與位移關(guān)系圖示,給出了各極限狀態(tài)(最終、使用和修復(fù)極限狀態(tài))時(shí)的抗力與性能要求限制值。在抗震設(shè)計(jì)篇中,設(shè)定了L1和L2兩種地震動級別和相應(yīng)的穩(wěn)定等級[22]。
圖3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗力與位移關(guān)系及性能限制值[22]
表4列出了結(jié)構(gòu)要求性能、校核項(xiàng)目和校核指標(biāo)。對于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),針對各極限狀態(tài),在各種作用組合條件下分別考慮穩(wěn)定性、承載力、殘留位移等性能項(xiàng)目。對各性能限制值,如垂直承載力、側(cè)向承載力、轉(zhuǎn)角、曲率、材料強(qiáng)度等,逐一進(jìn)行校核。
表3 結(jié)構(gòu)要求性能與主要作用組合[21]
隨著WTO的推進(jìn)和市場的國際化,以及歐共體標(biāo)準(zhǔn)的國際化進(jìn)程,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的國際化顯得越來越急迫,越來越重要。日本在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)國際化進(jìn)程上,積極跟進(jìn)。在鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中,日本作為國際會議召集人,主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)或提案已經(jīng)達(dá)到了6個(gè),這在英語國家占盡先機(jī)的國際態(tài)勢下,所取得的成就是非凡的,是亞洲國家中的佼佼者。
截止到2012年7月,《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說》一攬子標(biāo)準(zhǔn)已全部修訂完畢。從標(biāo)準(zhǔn)上,實(shí)現(xiàn)了從原來的規(guī)格規(guī)定型設(shè)計(jì)到性能設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軌工作。為應(yīng)對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)國際化,日本政府、產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)、研究所齊心協(xié)力,采取了一系列的措施,分步、有序的實(shí)施方法,組建專門的“鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)中心”等的行動,值得我們借鑒學(xué)習(xí)。
表4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求性能與校核項(xiàng)目和校核指標(biāo)[22]
致謝:第一作者非常感謝日本一般財(cái)團(tuán)法人土木研究中心、獨(dú)立行政法人土木研究所接受他作為外國人交流研究員進(jìn)行為期1年的訪問研究,為其提供了極大的研究和生活便利,藉此深表謝意!
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