日本铁路土木工程设计标准国际化动态

2013-01-17徐光黎倪光斌赵新益曾长贤

铁道标准设计 2013年10期

徐光黎, 倪光斌,赵新益,曾长贤

(1.中国地质大学工程学院,武汉 430074； 2.铁道部经济规划研究院铁路工程技术标准所,北京 100038；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

随着WTO和ISO的推进,特别是,ISO2394《结构可靠性总原则》[1]这一引领性国际标准的颁布,使极限状态设计法成为世界主流[2-4]。为适应世界这一发展趋势,我国建筑、港口、水利水电和公路部门的结构设计规范先后也采用了极限状态设计法。2011年,铁道部为推进铁路工程极限状态设计法工作,作出了全面、系统的部署。

日本在极限状态设计方面,设立了很多的研究委员会,到世界各国进行学习、考察,进行了大量的系统的研究,取得了丰硕的研究成果[5]。例如,2001年,日本成为ISO岩土工程极限状态设计国际技术委员会ITC23的东道国,致力于性能设计规范的开发。2002年,出版了日文和英文2个版本的《土木·建筑设计基本规定》[6]；2003年3月,颁布了《制定基于性能设计概念的结构设计规范的原则、指针和术语》(简称code PLATFORM ver.1)[7-8]；2009年颁布了《制定基于性能设计概念的基础结构设计原则》(JGS4001—200*)[9]。例如,文献[9]对构造物设计的基本规定、岩土工程勘察及土工参数、浅基础设计、桩基础设计、柱状基础设计、支挡结构、施工、路基设计等设计原则作出了基本规定。这些先导性的标准,为后续的行业规范制定奠定了良好的基础。

邻国在公路、铁路、港口、机场、水利等行业规范的修订中,都纳入了基于极限状态概念的性能设计法理念,提出了对安全性、使用性和修复性极限状态的性能要求,校核方法[10]。修订的行业规范、指针和手册等,目前都已经基本完成。《铁道构造物等设计标准·同解说》一揽子规范已于2012年7月全部修订完毕[11-16],实现了性能设计的转轨工作。同时,日本为应对铁路标准国际化,于2010年专门成立了“铁路国际标准中心”[17],在标准国际化方面取得了令人瞩目的成就。日本官产学研齐心协力,前瞻性、周密、系统的行动和经验,值得我们借鉴。

1 铁路工程国际化标准

1.1 国际标准化组织

制定国际标准的机构有: (1)IEC(International Electrotechnical Commission,国际电工委员会)，于1906年成立,至今已有100多年的历史,是世界上成立最早的国际性电工标准化机构,负责有关电气工程和电子工程领域中的国际化标准的制定；(2)ISO(International Organization for Standardization,国际标准化组织)，成立于1947年,承担所有领域的国际标准的制定,由ISO的技术委员会完成国际标准；(3)ITU(International Telecommunication Union,国际电信同盟)，由1865年万国电信同盟发起,1993年成为联合国的一个专门机构,主管国际无线电通信、标准化和发展电信展览活动。

1.2 国际化标准分类

按照标准属性分类,有:

法定标准(de jure standard),如SI单位、ISO标准、IEC标准等由公认的标准化团体制定的标准,具有法律效应；

约定俗成标准(de facto standard),又称实质标准、事实标准、业界标准等,如微软公司的软件Windows、二维码等,虽然没有法律的强制性,但在市场上被广为采用的标准。在某种事物还没有标准的时候,由担事的各方相互妥协而成的执行标准。

按照性能分类,有：

体系标准(对体系规格规定的标准)；

硬件标准(对各个器械、部件规定的标准)；

软件标准(软件编程的流程等的标准)；

信赖性、安全性标准；

生产方法标准；

试验方法标准；

资格认定标准(软件编程能力、技能等标准)；

第三方认证标准等。

1.3 铁路工程国际化标准背景

铁路国际化标准主要与IEC、ISO标准相关[18]。

在国际电工委员会IEC标准中,设置了专门的铁路专业技术委员会——TC9(铁路大气设备与系统)。日本铁路综合研究所于2004年,开展了日本TC9技术委员会活动[18]。

在国际标准组织ISO标准中,有对于轨道、车辆材料等部件、器械等的规格、试验方法方面的标准,却没有专门的铁路专业的技术委员会(TC,Technical Committee)。各标准是在其他相关的专业TC中讨论、审查而形成的。因此,在不同专业领域的团体下制定铁路标准,并不是一件容易的事情。

欧洲为了雄霸国际市场,作为战略性策略来加速欧共体的标准统一,并努力把欧洲标准EN提升为国际标准。在CEN(欧洲标准化委员会,与ISO相当)、在CENELEC(欧洲电气标准化委员会,与IEC相当)中,分别设置了铁路专业标准的技术委员会TC256和TC9X。欧盟科技框架计划(Framework Program,简称FP)是当今世界上最大的官方科技计划之一,预算急剧增长,第7个FP总预算达505.21亿欧元。从1994年第4个FP就开始了铁路大型技术开发工程。在FP4中,与铁路关联的工程有：欧洲铁路运输管理系统ERTMS,欧洲火车制动系统ETCS,铁路无线通信系统GSM-R等工程。在此基础上,形成了欧洲铁路信号系统标准。

日本亦不甘落伍,为便于与国际标准接轨,提升铁路产业的国际战略,2008年6月,根据国土交通省交通政策审议会陆上交通分会铁路部会的提议,组建了国家级的“铁路技术标准化调查研究会”,并设置了“铁路国际标准中心”,取得了后述的诸多成果[17]。

2 日本铁路国际标准中心活动概况

2.1 中心组织概况

2010年4月,在公益财团法人铁道综合研究所内成立了“铁路国际标准中心”(鉄道国際規格センター),首任中心长为田中裕研究员。设立中心的目的,就是为了确保日本铁路运输更加安全、快速发展铁路产业,从战略上构建铁路技术国际化标准,为国家的社会经济发展作出应有的贡献[17]。

为了确保中心活动的公平性和透明性,根据国家“铁路技术标准化调查研究会”确定的方针、提议进行活动,由会员组成的“计划运营协议会”审议、决策而行动。运营采用会员制形式,由同意成立中心目的并交纳会费的企业、法人、团体等构成。截止2010年12月,已有83个法人、团体会员。事实上,会员基本上囊括了日本所有与铁路相关的企业或团体,如：北海道、东日本、东海、西日本、四国、九州旅客铁道株式会社,日本货物铁道株式会社等单位。

铁路国际标准中心下设战略计划、标准审议和管理运用等部门。图1为该中心所处的位置,是日本国际化窗口——日本工业标准调查会(JISC)的一个支撑单位,是推进日本铁路技术标准国际化的运作实体。

图1 铁路国际标准中心所处的位置[17]

铁路国际标准中心主要的工作内容有：

国际标准的制定、提案；

作为IEC的国内审议团体和ISO的铁路事务局的活动；

战略计划、提案；

基于国际标准对国内标准的提案；

情报收集、分析与情报提供；

对外宣传日本铁路技术；

提升铁路人员认识及人才培养；

推进国际合作。

2.2 取得的国际化标准成果

据统计,2010年10月,正在审议的与铁路专业相关的IEC标准有73个,ISO标准有7个。其中,由日本主导制定的标准如下[18]。

(1)装置的环境条件标准(IEC62498—1～3)，这是日本第一次作为召集人(convener)制定的铁路国际标准,包括第1篇：车载电气；第2篇：地上电气设备；第3篇：信号装置和通讯装置。本标准的原案是欧洲规范,已于2010年8月发行。

(2)架线和导电架相互作用标准(E62486)，在该标准中,追加了日本使用的集电系的评价方法和评价值,于2010年7月发行。

(3)关于自动运输系统的安全性重要事件的标准技术报告(IEC/TR62267—2)，为构建自动运输系统,实现旅客、工作人员的安全而制定的标准。该标准虽然已于2009年7月发行,但是由日本主导的危险度解析的技术报告(TR)已经通过审议,TR部分即将发行。

(4)车辆电力电容器标准(IEC62128)，即将由日本作为国际会议召集人制定。原案就是日本制定的国际标准CDV,包括第1篇：要求事项、试验与一般规定；第2篇：铝非固体电解电容器；第3篇：电气双层电容器等。

(5)磁悬浮直线电机标准(IEC62520)，由日本于2007年初次提出,将地铁磁悬浮直线电机的性能、试验方法和规定上升到铁路国际标准。终板的国际标准FDIS即将发行。

(6)用于无线列车控制系统的无线系统的性能要求确定顺序，由日本提出的国际标准的新提案。

另外,从2010年5月开始,ISO/TC17(钢铁)、SC15(轨道及其附属物)也由中心管理,开展了日本国内的审议团体活动。

3 日本铁路土木工程标准修订概况

3.1 铁路行业标准出版概况

日本国土交通省于2001年发出了《关于铁路技术标准的规定省令》(《鉄道に関する技術上の基準を定める省令》省令第151号,平成13年)[19],要求铁路标准从原来的规格规定改成性能规定。由此,铁路设计的一揽子标准开始着手修订性能设计型体系,各相关设计标准前后陆续修改出版。表1为铁路标准名称及最新版出版时间[11-14]。

表1 铁路土木工程标准及出版时间

由表1可知,通过近10年的修订、完善,现阶段日本铁路土木工程设计标准修订工作暂告结束,完成了2001年省令第151号关于铁路技术标准的规定的基本任务。以路基工程为例,1992年出版的土结构标准为规格定型设计,2001年～2006年着手修订,2007年出版了新的性能设计规定型设计法标准[11]；1995年神户大地震之后,1999年增加了抗震设计标准篇,2012年出版了新的抗震设计标准[12]。由此,从形式上,日本铁路设计标准已经全部转轨,性能设计法成为今后铁路设计的法律依据。

3.2 性能设计法的导入

修订后的《铁道构造物等设计标准·同解说》,纳入了基于极限状态概念的性能设计法思想[20-24]。性能设计流程如图2所示。首先由业主考虑铁路的重要度、轨道结构、修复的难易程度等条件后确定要求性能；然后,根据设计条件,假定结构断面,利用极限状态设计法计算出反应值；针对每一性能设定的限制值,对计算出来的反应值进行校核。

图2 性能设计法流程(以路基为例) [21]

但是,对于很多岩土工程而言,很多场合下比较容易确定,无需过度的设计计算。因此,从效率上考虑,对要求性能作出等级划分是必要的。同时,针对不同的作用组合,也有必要区别对待要求性能。表2给出了性能等级和要求性能[22-23]。

表3为结构要求性能与设计的主要作用组合。在结构性能校核中,原则上需要考虑在施工、设计使用年限内性能随时间变化的问题。

表2 性能等级和要求性能(以路基为例)

图3为基础抗力与位移关系图示,给出了各极限状态(最终、使用和修复极限状态)时的抗力与性能要求限制值。在抗震设计篇中,设定了L1和L2两种地震动级别和相应的稳定等级[22]。

图3 基础结构抗力与位移关系及性能限制值[22]

表4列出了结构要求性能、校核项目和校核指标。对于基础结构,针对各极限状态,在各种作用组合条件下分别考虑稳定性、承载力、残留位移等性能项目。对各性能限制值,如垂直承载力、侧向承载力、转角、曲率、材料强度等,逐一进行校核。

表3 结构要求性能与主要作用组合[21]

4 结语

随着WTO的推进和市场的国际化,以及欧共体标准的国际化进程,设计标准的国际化显得越来越急迫,越来越重要。日本在设计标准国际化进程上,积极跟进。在铁路国际标准中,日本作为国际会议召集人,主导制定的标准或提案已经达到了6个,这在英语国家占尽先机的国际态势下,所取得的成就是非凡的,是亚洲国家中的佼佼者。

截止到2012年7月,《铁道构造物等设计标准·同解说》一揽子标准已全部修订完毕。从标准上,实现了从原来的规格规定型设计到性能设计的转轨工作。为应对设计标准国际化,日本政府、产业界、大学、研究所齐心协力,采取了一系列的措施,分步、有序的实施方法,组建专门的“铁路国际标准中心”等的行动,值得我们借鉴学习。