工程设计者应树立工程风险防范的设计理念

作为工程设计者，你是保守的?还是冒进的?大多数工程设计人员，从不认为自己的设计方案是保守的，也不认为是冒进的，而是公正的，符合规范要求的。一些设计者认为，只要遵循规程规范和建设工程强制性标准的要求进行设计，工程就应该是安全的，而且是经济的。即便发生意外，出现工程事故，也与设计者无关，要么是天灾，不可抗力，要么是其他非设计工况的客观因素，要么就是施工质量没有满足设计要求。事情真的如此简单吗?

改革开放之前，建设工程设计强调“安全可靠、经济合理”，尤其强调“多、快、好、省”，不断要求“做好第二篇文章”。而如今，国家富强、经济社会发展了，建设工程的设计原则又增添了新的内涵，即“安全可靠、经济合理、技术先进、资源节约、环境友好”。安全是前提，是基础，没有安全，就没有效益，甚至导致灾难。然而，世界上不存在绝对安全的工程。这就要求设计者树立“工程风险”的设计理念，在上述设计原则的基础上，必须做到“风险可控”。

对具体的建设工程而言，不能简单地用“安全”和“不安全”来作具有科学意义的评价。因为无论是在经济实力上、还是在客观认识水平上，人类还没有能力预测和防范一切自然灾难。因此，工程实践中，也不需要不惜一切代价确保建筑物在任何情况下都不会发生破坏。根据风险产生的可能性和灾害后果的严重性，确保“风险可控”，针对可能出现的各种不利工况，提出相应的设计安全标准，这才是明智的选择。我认为。当前，建设工程设计的目标就是在工程满足功能要求的前提下，力求以最小的代价，获得满足设计安全标准的基本要求。实际上，设计安全标准还不是实际建设工程真实的可靠度标准，建设工程真实的安全性还取决于设计荷载及其组合的合理性、工程施工质量和运行维护水平。

讨论工程设计安全标准，不能脱离一个国家的经济发展水平和工程技术水平。发达国家的经济实力强、工程技术水平高，总体上，建设工程的设计安全标准较高，而且建筑施工管理严格，工程品质能够得到保证，加上运行维护到位，因此，实际建设工程的可靠度标准更高。人们生活和工作在高标准的建筑中，优越感油然而生。我国是一个发展中的国家，城乡二元结构明显，经济社会发展极不均衡，工程设计与施工的技术水平也有差距，工程质量安全标准似乎也呈现出二元结构，这一点特别值得警惕。台风暴雨中一些小型水库的溃坝以及大量存在的病险水库，大都位于农村，不仅建设质量差而且缺乏管理，对当地经济社会发展构成严重危害和威胁，不蒂为一颗颗隐身的“定时炸弹”。

衡量工程技术和管理的水平，需要依赖工程实践经验的积累和提炼，并形成系统化、标准化和程序化的工作流程及其控制体系，使之成为工程设计和施工的法规，并在新的工程实践中持续改进和提高。建设工程强制性技术标准是设计和施工必须遵循的最低要求，容不得半点马虎。我认为，设计施工一体化的好处，不在于修改设计以利于施工，而只是在设计方案的比选中加重技术方案实施难易程度的权重。评价工程设计与施工的水平，首先看它是否有利于提高工程可靠度，其次，是否有利于提高工程效益，第三，是否方便施工，易于保证工程质量，降低成本并有利于运行维护管理。虽然是新技术，国际领先水平而且很复杂，但不能带来工程可靠度和工程效益的改进，这样的技术是没有实用价值的。

从工程设计方法的进步而言，最早的设计方法一定是模仿，有意地或无意地，仿自然而改造自然，模仿是学习的基础。然后，在大量模仿的基础上，通过总结经验教训，就形成了经验设计方法;经验设计方法与基础理论和工程技术的结合，就有了半经验半理论的设计方法;随着工程经验的积累和现代工程科学技术的进一步发展，半经验半理论的设计方法将逐渐进步到具有更多理论指导和更加合理完善的设计方法。诸如金属材料工程、航空航天工程和民用建设工程中，广泛采用的可靠度设计方法，就是基于概率理论指导的设计方法。核电站设计采用的风险分析，就是基于灾变理论(或灾害链理论)指导的设计方法。设计方法的进步和飞跃，正是人类对客观事物认识的深化和规律的把握，这种进步和飞跃是永无止境的。认识到这一点就应该知道，任何设计方法总存在一些缺陷。哈尔滨阳明滩大桥的垮塌，超载固然是诱因，但更应该检讨的是结构和构件的设计工况与设计方法。

桥梁、房屋以及水利水电工程的结构设计大都采用属于半经验半理论的设计方法。这种方法假定作用(或荷载)、抗力和结构几何参数等设计变量均为定值，计算的抗力与计算的作用之比，称之为安全系数;只要计算的安全系数大于或等于规范规定的最小安全系数，则认为结构是安全的。实际上，设计者还要考虑建筑物、结构、构件和材料之间的关系，确保它们之间的可靠性是相互匹配和协调的。诸不知，人类还无法预知地区暴雨洪水、地震地质灾害以及极端气温气候条件，基于室内试验和以往经验的材料强度等抗力参数，基于数值计算分析方法的结构静动力响应等作用参数也存在不确定性，也即变异性、模糊性和不可知性，加上工程设计所依据的地质学、水力学、岩土力学、材料力学、结构力学、弹塑性力学、断裂力学、损伤力学、数值模拟分析等基础性学科尚不完备。认识到这一点，就需要从留有余地出发，偏安全，偏“保守”地选择设计方案。

工程设计所以要分阶段进行、实现招标投标和设计咨询审查等，除了基本建设管理的规定外，也是符合人的认识规律和项目的风险控制的。从预可行性研究，到可行性研究，初步设计，再到招标设计和施工图设计，随着设计工作的深入，设计方案的利弊愈加清晰可辨，工程量和工程投资的计算也就愈加准确。那些仅仅依靠概念设计或者预可行性研究设计就开展投标施工的项目，既没有设计咨询，也没有设计审查，必然带来较大风险。在工程设计的初级阶段，设计者由于对工程建设条件的认识不足，或限于设计方案研究比较的深度，为弥补可能的疏漏，投资估算中需要留足基本预备费。研究设计越深入，发现的问题越多，设计方案也就可以做得越完善，虽然可能增加建设成本，但可以降低基本预备费费率，规避建设风险。无论如何，基本预备费是不可缺少的，其中，就包含一部分风险费用。2009年～2010年，中国铁建承包的沙特麦加轻轨项目，基于项目概念设计，工程量计算失误，造成41亿元巨亏，教训深刻。

从工程的全生命周期而言，设计只是工程的孕育阶段，施工才是工程的成长阶段，而到了运行阶段，则是工程的旺盛生命期，如果维护得当，工程可以长期服役(超过100年)。工程安全的本质取决于工程设计，但也离不开管理，包括工程的施工管理和运行管理。切记，设计者承担工程安全的终身责任，务要对工程的施工和运行提出相应的要求。正如当前购买家用电器设备，总是附有一本厚厚的使用说明书，其实，这是值得工程设计者学习的。

试想，如果工程没有按照设计图纸和施工技术要求进行施工，存在偷工减料、以次充好，甚至弄虚作假的情况，工程质量又怎能满足设计要求，设计者又怎能担负工程安全的责任。同样，如果没有按照设计要求进行运行调度，或者没有对已经发现的工程质量缺陷及时进行补强加固，在遭遇极端条件情况下，又怎能保证工程的安全。从这个意义上讲，工程设计既要合理，也要倾向“保守”，适当留有余地，才能增强其抵御不可预见的灾害的能力。

发达国家设计生产高、精、尖产品，强调“免维护”。海上风机组“免维护”、汽车铅酸蓄电池“免维护”、笔记本电脑“免维护”。免维护体现的是高超精湛的先进技术。只有精湛的技术和精心的工艺，才能使产品和工程“免维护”。免维护的产品和工程，全生命周期的投资效益最优。不过，大型工程的建筑物和设施设备全部做到免维护，其实很困难，技术上做不到，经济上也不划算。但是哪些结构、哪些设施设备“免维护”还是可以研究和推行的。譬如在一些不发达的地区修建工程，考虑到维护管理成本高或缺乏相应的管理技术，工程设计和建设宁可“皮实”一些，以便经得起折腾，而不会很快废弃。国家在西藏地区投资修建了一批太阳能工程和小型水利水电工程，因工程质量不高，又缺少维护管理，不到使用寿命，就基本不能发挥设计功能。从这个意义上讲，工程设计要高质量，高标准，因此，也需要倾向“保守”。

从工程风险分析而言，河流梯级开发的各个梯级之间，通过河道水流相互联系，如果上游梯级出现溃坝，而水流动能不能受控，就可能形成一连串连锁反应，造成灾难性后果，这就是多米诺骨牌效应。流域梯级电站分布多，情况复杂，涉及上游与下游、干流与支流、大中型与中小型、不同的开发任务和开发主体、不同的管理方式和管理水平等。风险因子多，相互关联，有些风险是可预警预防的，有些是难以预料和难以控制的，因此，从风险防控角度分析，工程设计还需要系统考虑，留有余地，防止出现多米诺效应，以增强工程的抗风险能力。

以上仅是个人观点，未必正确。特别值得提醒的是，工程设计者要具有工程风险意识。在工程设计之中，除应遵循国家法律法规和技术标准外，还应自觉地开展风险识别、风险分析、应急预案和风险防控对策措施的研究，以进一步完善设计方案，包括施工技术要求和运行维护管理要求。但请再想一想，作为工程设计者，你是保守的?还是冒进的?

作者：周建平 中国水电工程顾问集团公司总工程师