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设计老总谈结构

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来源:土木吧 如有侵权请联系删除 作者简介: 网名:水木人生, 真名: 王锁军,1968年生 国家一级注册结构工程师, 结构工程硕士 北京蓝图工程设计有限公司民建所所长 结构专业副总工程师   笔者自序:   本文是笔者二十多年前在清华大学读硕士时自然辩证法学习的课程论文,今偶重读,感慨良多。   二十多年前,我国的建筑市场的发展刚刚开始。设计院从传统的类似事业单位的性质逐渐开始转入市场化机制,设计也逐渐从过去的手工计算及制图模式转入计算软件及CAD时代,因此暴露出了一些过去所没有的问题,这些问题引起了笔者的担忧。现在看起来,当时的担忧大部分已经成了现实,并有恶化的趋势。设计的智能化和设计的市场化是建筑设计的巨大进步,但随之而来的也有历史上从来没有过的巨大危机,有设计者自身的问题,更多的是社会问题(当时社会的问题表现的还不是很多,设计还是非常令人尊重的职业,文章主要论述了设计师自身的一些问题)。如何利用信息化、智能化、市场化先进性的同时,又尽可能的避免产生这些不利问题,这是笔者文章的初衷。私以为这篇旧文即使今天读起来仍有意义,以现在的观点看文章很稚嫩,但唯其稚朴,方显初心。

来源:土木吧

如有侵权请联系删除


作者简介: 网名:水木人生, 真名: 王锁军,1968年生 国家一级注册结构工程师, 结构工程硕士 北京蓝图工程设计有限公司民建所所长 结构专业副总工程师

  笔者自序:

  本文是笔者二十多年前在清华大学读硕士时自然辩证法学习的课程论文,今偶重读,感慨良多。

  二十多年前,我国的建筑市场的发展刚刚开始。设计院从传统的类似事业单位的性质逐渐开始转入市场化机制,设计也逐渐从过去的手工计算及制图模式转入计算软件及CAD时代,因此暴露出了一些过去所没有的问题,这些问题引起了笔者的担忧。现在看起来,当时的担忧大部分已经成了现实,并有恶化的趋势。设计的智能化和设计的市场化是建筑设计的巨大进步,但随之而来的也有历史上从来没有过的巨大危机,有设计者自身的问题,更多的是社会问题(当时社会的问题表现的还不是很多,设计还是非常令人尊重的职业,文章主要论述了设计师自身的一些问题)。如何利用信息化、智能化、市场化先进性的同时,又尽可能的避免产生这些不利问题,这是笔者文章的初衷。私以为这篇旧文即使今天读起来仍有意义,以现在的观点看文章很稚嫩,但唯其稚朴,方显初心。

  

  建筑工程结构设计的几点看法

  本文试图利用自然辩证法中关于科学技术观和科学技术方法论的观点,建立对建筑工程结构设计的正确认识,寻求行之有效的设计方法,从而指导自己的设计实践。

  建筑工程设计的任务是在建筑工程实施之前,提供关于这项工程及其制造、施工过程的全部图纸和技术文件。而结构设计就是利用力学的基本原理,应用成熟的技术、工艺措施,在达到建筑结构预定安全度、使用期限并满足建筑功能、形式要求的条件下,通过结构工程师思维构造最合理、最经济的结构方案,然后将这种思维的成果通过施工图转化成指导工程建设的技术文件。由于设计是一个再创造过程,所以它不仅需要运用知识和规则,而且需要发挥创造性和想象力。“工程设计与其说是一门科学,不如说是一种艺术。”

  结构设计是建筑产品生产全过程的一个重要的组成部分。统计资料表明,建筑产品结构部分成本的75~80%是由结构设计阶段决定的,从反面来看,错误的结构设计一旦投入使用,就会在人民生命和财产安全上造成严重的后果,由于工程设计者思维过程中的缺陷所造成的灾难,称为“思维灾难”。通常,建筑产品在制造和使用上产生的问题一般可通过一定措施加以补救和避免;但如果设计本身存在缺陷,那是根本性、全局性的问题,将会后患无穷。

  构成结构工程设计过程的基本要素是:符合自然规律的力学原理;成熟的技术、工艺措施;将抽象的思维成果转化成施工图的表现手段。


  一、力与美的统一

  建筑物和工程设施中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为工程结构。因而结构设计的最基本的依据必然是力学原理。由于人类和建筑同处在重力环境中,通过感性认识的长期积累,必然使人们对符合力学规律的、简洁的、稳定的构件组合产生美的感受。从技术美学的观点看,美的人工自然产品在技术上一定是合理的,技术合理的一定是美的。美的技术定义是简洁的、合理的构成,具体到结构上就是简洁的、稳定的、合理的构件组合。

  例如:下列几组图中对人们视觉上和心理上的感受是不同的。

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  图一(左) 当给小球一侧向力,小球在偏离中心位置后,由于受到重力作用,自动恢复到原来的位置。 因此,小球状态给人的感觉是稳定的、安全的。 图一(中)小球受到侧向力后,会无休止的匀速运动下去,因此给人的感受是不稳定的,不安全的。 图一(右)小球受到偶然的微小侧向力后,会加速运动下去,因此给人的感觉是危险的。 图一(左)为一悬挂构件,其流畅的曲线恰好符合了构件的每个断面的抗拉强度正好等于该断面所承受的重量,使材料得到充分的利用。 图二(中) 给人的感觉是线条单调,除最上部外,其余断面材料强度没有充分发挥出来。 图二(右) 形状笨拙,违反了力学原理。 图二(左)拱形结构,侧向推力作用减少了梁的弯矩,是一种受力合理、造型优美的结构形式。 如历史上有名的赵州石桥。 图三(中)由于梁端部的悬挑部分使梁跨中及柱端弯矩减小,该结构形式充分利用了力学知识,形状简洁合理。 城市立交桥较多的采用了这种结构形式。 图三(右)虽为常用结构形式,但受力没有(中)图合理,给人的心里感受亦没(中)图优美

  好的结构是力与美的完美统一,好的结构工程师应该培养自己对力学美的感觉,将结构中所蕴含的形象美与结构所遵循的力学规律结合起来,从哲学的高度去总体把握结构设计方案的合理性。也可以把力学美原则作为建筑总体方案的非常重要的参考。不符合力学美原则的建筑是经不住时间的考验的。前苏联设计的一批鸡腿式建筑,由于其错误的理论,导致了严重的地震灾害。实际上,这种结构形式也不符合人的审美感,如图(四),给人一种头重脚轻的感觉。

  855.png

  由于错误的认为该种结构周期较长,地震力可以减小,但是由于底部较柔,在地震力作用下,变形过大,使P---Δ效应加大,导致了建筑物的倾覆。

  笔者曾参与一多层开敞式无吊顶办公设计,柱距8.4*8.4,楼板方案有二种意见,见下图:

  442.png

  笔者认为:右侧次梁方案由于主梁与次梁空间上的尺度和数量不同,使人在视觉上产生非常美的韵律感。而左侧方案空间单调,且由于次梁位于跨中,给人心理上、视觉上一种不舒服的感觉。事实上,右侧方案在经济上也优于左方案。后来,经与建筑师协商,采用了右侧方案。


  二、力学模型的简化

  理论力学,材料力学,结构力学,弹性力学构成了建筑工程力学大厦。理论力学着重讨论物体机械运动的基本规律,其余三门力学着重讨论结构及其构件的强度、刚度、稳定性和动力反应问题。如何把基本的力学知识应用于实际结构中呢?首先把实际结构简化成计算模型,称为计算简图;然后进行计算。实际结构的模型化过程是一种化繁为简、化难为易的科学抽象过程,因而要善于抓住主要矛盾。突出主要因素和关系,撇开那些次要的矛盾和关系。但是,结构工程师应充分认识到再完美的结构模型也和实际结构有误差,应该定性的了解这种误差的方向(偏于安全或不安全)及程度,从而在利用计算结果时进行适当调整。这就要求结构工程师对计算模型的力学原理及所利用的数学分析方法有深刻的了解,并掌握建筑对结构或构件的功能及安全度的要求。例如,设计人员在进行单向板和双向板配筋时,一般利用静力计算手册查出板跨中弯矩再进行配筋,但是单向板是采用简支计算(m=1/8ql2),而双向板是利用弹性小薄板理论的假定,采用的弯矩是板跨中点的弯矩(双向板弯矩分布呈锅底形),因此双向板的计算理论是偏于保守的,在双向板配筋时不应再人为的增大配筋,甚至可以在跨度边缘减小配筋。

  由于结构设计的复杂性,使有些实际结构难于用较准确的计算模型简化,或模型的使用受到限制,建筑地基模型的简化问题就是一个明显的例子,例如连续基础的计算根据不同的地基情况可以简化为Winkler地基模型、半空间地基模型、压缩层等地基模型。Winkler地基模型有其独特的适用性,譬如湖面上冻结而成的浮冰受力状态正好符合Winkler假定。因此凡力学状态与水相似的地基(如淤泥、软黏土等),采用Winkler模型就比较合适。那种不研究简化模型的力学原理,适用范围,不了解结构的实际受力状态而简单套用模型的做法是错误的。这样的计算结果往往使设计人员在不知不觉中产生错误的结果。

  结构设计工程师还应充分认识到,由于实际结构和计算模型的差异,计算结果不能作为唯一的设计依据,应该利用自己对结构设计的综合认识,运用概念设计的方法,去总体把握一个工程设计,使结构设计真正变成一门艺术,而不仅仅是数值计算。


  三、建筑结构设计的技术性

  建筑工程设计及建造与其说是一门科学,不如说是一门技术,技术是为了满足社会需要,利用自然规律,在改造和控制自然的实践中所创造的劳动手段、工艺方法和技能体系。因此建筑技术必须遵循自然规律,应用自然规律。任何违反自然规律的技术都是不可能实现的。建筑技术也有社会属性,因此必然受到社会条件的约束,结构工程师在构造建筑思维模型时,必须以能够实现的符合社会条件的建筑技术作为依据。由于结构设计仅仅是建筑建造的一个前期的思维创造过程,所以结构工程师应该熟悉建筑施工的劳动手段、工艺方法和技能体系,才能将前期的设计和后期的施工联系起来。例如,理论上如果按照混凝土梁的拉应力迹线配置钢筋,受力上是最合理的、也是最经济的。但是,施工是难于做到的,也是没有必要的。

  施工工艺和材料很大程度上决定了结构的结构设计方法,结构工程师不仅要熟悉不同施工工艺不同材料的计算公式,而且更要理解其受力机理,相对钢结构而言,钢筋混凝土不是弹性均匀质材料,其受力理论并不十分明确,试图寻求“百分之百计算精确度”无疑是浪费时间。

  同其他技术一样,建筑施工技术也是不断向前发展的,结构设计工程师不应该只受到施工工艺和材料的约束,而应该成为施工技术发展的最活跃的因素之一。历史上每一次新技术、新工艺的变革往往都是由结构设计工程师首先提出来的,并同建筑制造工程师共同研究、实践而得来的。预应力混凝土结构、钢与混凝土组合结构等技术和工艺就是由结构工程师在长期的工程设计实践中充分利用钢与混凝土材料的不同特点,而发展起来的新技术、新工艺。正是由于结构设计工程师的智慧促进了建筑业的发展。结构工程师不断的追求和探索,使一些大型的、复杂的、造型优美的新建筑得以实现。一些气势宏伟的跨海大桥、上海的东方明珠电视塔、悉尼歌剧院等伟大建筑,不仅使建筑师的名字成为这些凝固音乐的一个音符,也为结构工程师树立了一不朽的丰碑。


  四、建筑结构设计的表现方法(即如何画图-笔者注

  建筑工程施工图是设计工程师与建筑制造者进行沟通的语言,文章讲究“文简、理周为上乘”。亚里士多德名言“要像智者那样探索和分析问题,但要用最简洁、最通俗的语言表达其含义”。由于施工图是技术语言,所以必须按照制图标准去表达,除此之外,结构工程师应该追求用最简洁的线条去表现最清楚的、最方便施工的设计内容。建筑施工图的表达可以认为是较写实的,即把建筑物的实际内容按视图、按比例绘制在图纸上,并把复杂部位局部放大。在应用CAD制图的今天,成熟的建筑师在图纸表达上差别不大。但是结构施工图的表达是把建筑中的结构构件部分抽取出来,进行组合,然后根据不同构件的特点分别肢解的过程。因此,结构施工图的表达反映了一个结构工程师的逻辑思维能力,这就是结构施工图千差万别的原因。结构工程师应该锻炼自己的逻辑思维能力,用逻辑的、简洁的、制图语言去表达自己的思想。结构制图的平面整体表示法(96G101)抛弃了传统的框架结构的梁柱详图画法,采用平面配筋、并结合标准构造节点的表示法,把结构工程师从烦琐的制图中解放出来,提高了工作效率,但是,其剪力墙、暗柱等表示法显的过于烦琐,有些过于追求形式。结构工程师应该有选择的采用,寻求更有效、更简洁实用的表示方法。


  五、建筑结构设计的系统方法

  结构设计是建筑工程技术(包括建筑设计、结构设计、水暖电设计及建筑制造技术)大系统里的一个子系统。结构工程师应该和建筑师、设备电气工程师及建筑制造工程师紧密配合,用技术系统理论的方法(如系统分析法、反馈控制法、系统规划等方法),并应把握系统方法的一些原则(如整体性原则、最优化原则)来处理具体的工程设计。

  影响结构设计的因素非常复杂,因此结构设计的过程实际上是发现矛盾并解决矛盾,抓住影响系统的主要因素,抛开次要因素的过程。如何发现主要因素呢?

  我们可以借鉴数学中求多元函数的偏导数问题。既假设其它变量为常数,求函数就某一自变量的变化率问题。(设y=f(x1,x2,...xk...xn),若,则xk(1≦k≦n)为该函数中各种变量中最主要的变量)。这种方法其实也是经济学中寻求关键因素常用的一种方法。当然,实际的工程设计或经济问题很难简化为数学模型,这仅仅是一种思考问题的方法。例如,在低压缩性地基上箱型基础或上部结构为剪力墙体系、层数为12层以上的框架、框剪结构的箱形基础,由于地基或上部结构刚度很大,箱基的整体弯曲所产生的弯矩很小,可以看作是次要因素,忽略不计。计算上只考虑局部弯曲,仅在构造上考虑整体弯曲的影响。


  六、计算机辅助设计(CAD)

  计算机辅助设计把结构设计人员从烦琐的、单调的计算中解放出来,而且采用了计算精度非常高的计算方法(如有限元、墙元等),使大型的、复杂的、要求精度高的结构设计得以实现。但是,计算机永远仅仅是一种手段,在这种人机系统中,无疑人是主体。只有使用者正确掌握各种计算参数的含义,理解计算原理,才能使计算机变成可资利用的工具,否则,将可能成为错误设计的发源地。例如,实际工程中由于框架梁在竖向荷载作用下支座弯矩较大,因此将梁端负弯矩乘以调幅系数,以考虑梁的塑性内力重分布。而TBSA程序是将所有框架梁均乘以负弯矩调幅系数,如果忽略这一点将造成悬臂梁配筋严重不足。因此,应按程序要求将悬臂梁设置不调幅,或将悬臂梁配筋进行人工调整。

 

 七、建筑结构设计的“人本主义”

  二十世纪六十年代在欧美兴起的工程设计方法论的“人本主义”强调设计者负有为社会服务的道德责任,应当让设计对象的使用者(现在的甲方-笔者注)参与设计过程。对一般的民用建筑而言,在结构上用户关心的往往是建筑物的安全性和经济性。但是,由于结构专业的特点,一般用户不了解结构设计的基本原理,使结构工程师难以和用户进行沟通。因而用户往往产生盲从或不信任的心理(现在的情况呢?-笔者注)。结构工程师应该真正站在用户的立场上,理解用户的真实意图,并善于将专业语言通俗化,耐心地去和用户交流,而不是笼统的把用户视为“外行”。例如,有的用户认为结构抗震设计是一种浪费,万一将来不地震岂不是浪费金钱,或即使发生地震,谁都无法幸免。其实,建筑物抗震设计就像人买保险一样,这些投资都是必须的。国家规范在抗震设计上的规定也是根据我国不同地区震灾的可能性、发生震害所造成的后果的严重性及经济实力综合定制的。这就像一个人要根据自己的健康、年龄等情况及家庭经济状况而决定购买人寿保险的额度一样。这样的解释,一般用户都能理解。(笔者注:在我的一篇“施工图审查之我见”中有抗震从另外一个角度看也是保险的提法,有同行留言问我是什么意思,此段算作回复吧)

  笔者曾参加一多层砖混住宅设计,开发商坚持要求楼板采用空心板结构,笔者没有盲目接受开发商的要求,而是向其询问坚持采用空心板的目的。当得知开发商由于经济方面的考虑时,笔者就两种方案为开发商做了优缺点比较:空心板有工期短的优点,但是,由于随着经济的发展,材料费和人工费的变化,现浇板在造价上反而低于空心板,且现浇板整体性、防水性能均优于空心板。后来,开发商欣然接受了采用现浇板方案的建议,并对我们的结构设计给予了好评。结构设计工程师需要走出神秘园,与建筑师、设备、电气工程师一道本着“与人为本”的设计宗旨,共同肩负起社会所赋予的神圣职责。

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  • 寻星星
    寻星星 2020年01月13日 11:25:23 3楼

    好资料,学习了,谢谢楼主分享

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  • lyy2010lyy
    lyy2010lyy 2020年01月14日 10:33:45 4楼

    好资料,学习了,谢谢楼主分享

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  • 和泉纱雾丶
    和泉纱雾丶 2020年01月15日 13:52:03 5楼

    初心可叹

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  • 洞房不败之玉女
    洞房不败之玉女 2020年01月20日 09:01:39 6楼

    现在看为时太早,看不进去

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  • daainiuniu123
    daainiuniu123 2020年03月31日 16:26:08 8楼

    好资料,学习了,谢谢楼主分享

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