结构设计心得的探讨与分析

从事结构设计和科研工作十多年，在工作的同时，觉得结构设计和人生有许多非常相似的道理。刚柔相济，多道防线，抓大放小，打通结点是桥梁设计的四大原则，其实我们所生存的社会以及许多做人的道理和结构设计的四大原则有很多的相似之处。
1、刚柔相济
合理的桥梁结构体系应该是刚柔相济的。结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏；而太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。结构是刚多一点好，还是柔多一点好？刚到什么程度或柔到什么程度才算合适呢？这些问题历来都是专家们争论的焦点，现今的规范给出的也只是一些控制的指标，但无法提供“放之四海皆准”的精确答案。最后，专家们达成难以准确言传的共识：刚柔相济乃是设计者的追求。也许都是相通的。
想想看，人应该是刚多一点好还是柔多一点好呢？做人太刚和太柔都不受推崇。过份刚强者，应变能力差，难以找到共同受力的合作者，即使面对任何突然袭来的恶势力，亦敢于硬顶硬撞而不留变通的余地，这种时候必须有足够的刚度才能立于不败，否则一旦后继乏力，油尽灯枯就会发生脆性破坏，导致伤痕累累、体无完肤的灭顶之灾。
世人处世多以“柔”为本，退一步海阔天空，和为贵。柔者易于找到共同受力的构件以协同消化和抵抗外力。但过柔亦为人所不耻。因为“柔”必然产生变形以适应外力，太柔的结果必然是太大的变形，甚至会导致立足不稳而失去根本。处世极为圆滑者，八面玲珑，见风使舵，整日上窜下跳，左右逢源，活得游刃有余，这种柔得无形，表面上着实不容易受到伤害，骨子里却难免有“似我非我”的疑问，弄不好会个性丧失、面目全非，可能还免不了要背上奴颜婢膝的骂名。
古人在长期的实践后发现了中庸之道最适合生存。用现代的话来讲大意是做人最好既有原则性又有灵活性，也就是刚柔相济。刚是立足之本，必要刚度不能少，如此方能控制变形在可以忍受的范围内，才不会失掉本质的东西；柔为护身之法，血肉之躯刚度毕竟有限，要学会以柔克刚，不断提高消化转换外力的能力，有时候，牺牲一点变形来抵抗突然到来的摧毁力是必要的，也是值得的，但应以不失去自我为度。“刚与柔，融与合”正是中国儒家思想的精髓！
刚柔相济和核心就是平衡，对桥梁结构来说是内力和外力的平衡。否则整个结构就会失去平衡而倒塌，所以桥梁设计的第一原则就是要找到结构内力和外力的平衡点，例如连续梁中跨活载和边跨反力的平衡，自锚式拱桥水平力的平衡等都是内力和外力的平衡，构件截面应力积分就是内力等，此乃桥梁设计的第一要素。其实社会和许多行业又何尝不是平衡呢？只不过是人和人的平衡。这种平衡是动态的，所以会出现今天东风压倒西风，明天出现西风压倒东风。天平就是一个平衡最好的例子，一边是忠臣，一边是佞臣，天平就这样时而此边高，时而彼边高，但是天平的支点总是在移动，目的就是为了让天平保持动态的平衡。如果那天天平的一侧太高而失去了平衡，必然导致社会的变革，又会形成一种新的平衡状态，社会也是在这种动态的平衡中发展。
只可惜“道可道，道难行”。不是想刚就能刚，想柔便得柔的，刚柔相济只是理想中的“模糊结构”，每个人的组成材料千差万别，生存的地基也不尽相同，所受的外力更难统一定性。如此的差异下，企望哲人们找到统一的、万无一失的处世良方实在勉为其难。不过，每个人如果都能给自己多一点时间，去思考一下适合于自身的结构体系，想必这世界会有另一番光景。

2、多道防线
安全的结构体系是层层设防的，灾难来临，所有抵抗外力的结构都在通力合作，前仆后继。这时候，如果把“生存”的希望全部寄托在某个单一的构件上，是非常非常危险的。也许我们会自信计算的正确性，但更要牢记绝对安全的防备构件是存在的。
人生也应该是多道设防的吧。再好的汽车，都会有一个备胎在后面。一辈子平平安安、无灾无难的人实在很幸运。而每当看到饱经沧桑、历尽苦难的人尽力呵护甚至溺爱他们的子女时，总有一股暧流涌入心中。可怜天下父母心，他们不希望自己的不幸在下一辈去重演的！他们时时设防，企图让子女在暴风雨来临时免受伤害。能有这样的父母作为人生的第一道防线是该知足了。但进一步想想，这第一道防线就已经足够了吗？父母是否也该注意到去督促和帮助子女学会构筑人生的第二、第三道防线呢？因为大多时候，最终陪我们走完一生路程的可能不会是别人，不会是父母，而只有自己。
记得有个同行朋友，在精心做完一个桥梁的结构设计之后对我说，他煞费苦心地设计了一道又一道的防线来抵抗可能出现的地震破坏，真希望来一场地震检验一下他的成果，可接着他又说心底里有点害怕地震真会到来。想一想，最好还是没有检验的机会吧，因为安全的储备能够名副其实，永远处于储备状态才是我们设计者的心愿。类似地，培养一个人坚强，当然决不是希望他去遭受磨难的，而是让他具有化解磨难的能力而已，如果能平平安安岂不更好？只是，我们千万千万不能放弃培养一个人变得坚强起来的努力。
偶尔在报上会读到百折不挠者，他们象坚不可摧的建筑，无数次风雨雷电、天崩地裂之后依然立在那里，让人肃然起敬。但我并不赞成“经历磨难越多越伟大”的观点，我以为我们的生命真的不需要用磨难来证明些什么：生命原来可以不伟大的，但应当快乐，所以我们要努力使其免遭伤害，因为生命只有一次。我想到的只是，虽然生命历程中最好没有任何灾难，但是抵抗灾难的防线却是越多越好，我们宁愿这些防线一辈子都用不上，可谁又会认为建立这些防线就是多余、是空费时间和精力呢？就象桥梁结构的安全储备，用不上可不等于没有用的！

3、抓大放小
“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。有人问：为什么不是“强柱强梁”或“强剪强弯”呢？为什么所有构件都很强的结构体系反而不好，甚至会有安全隐患呢？
这里面首先包含着一个简单的道理：绝对安全的结构是没有的。简单地说，虽然整个结构体系是由各种构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭破坏，这时候牺牲在所难免，让谁牺牲呢？明智之举是要让次要构件先去承担灾难。“宁为玉碎，不为瓦全”，如果平均用力，可能会“玉石俱粉”，损失则更大矣！在桥梁结构中，塔、墩柱倒了，梁会跟着倒；而梁倒了，墩和塔柱还可以不倒的。可见墩（塔）承担的责任比梁大，柱不能先倒。为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少可能出现的损失。如果梁柱等同看待，企图让他们都“坚不可摧”，则可能会造成同时破坏，后果会更糟糕，损失会更大。 所以关键时刻要分清主次，抓大放小。有舍才有得，舍是为了得。但取谁舍谁，真是个难题。整个社会缩小了就象建筑结构体系。人们竟不住要自问：在冥冥众生中，我是一根梁还是一根柱？我能做一根梁还是能做一根柱？我愿做一根梁还是愿做一根柱？取舍在所难免时，我是被“取”还是被“舍”？按理说，不管梁还是柱，都属于社会体系的一分子，都不可或缺。但我相信很少有人甘心去做陪衬、做垫脚石的--每个人都希望成为顶梁柱之类的重要角色。只可惜总要有人担任其他次要角色，去成为梁、拉索乃至栏杆等等的。于是这世界充满了竞争，充满了矛盾；于是在这种竞争和矛盾中导演了一出出角色互换的悲喜剧；于是这社会最后必然要论功行赏才显得公平。大概每个人都能在相应的岗位各得其所，社会才会变得有序起来。
身居高位者，承担的责任较大，其行动会影响到多数人的利益，所以他不能倒，他只能最后倒；所以在给予相应特权的同时更要严格要求他，以确保大众的利益。如果高官和平民享受同样的待遇，不知道还能有多少人想去做官想去承担更多责任。但是倘若手握重权而不慎用，享受特种待遇却没有做出相应的贡献，最终这样的官是做不长久的。就象一根柱子如果没有发挥柱子的作用，大厦将倾，最后倒掉的还包括它自己。可见柱的选材设计须当谨慎，否则即害了柱，还要殃及整个大厦的。
担任次要角色、身处低位的人，身上的担子当然很轻，只能从自己的利益出发去要求社会，因为自身的存亡对他人影响不大，所以获得的特权保护相对很少，甚至没有什么特权，非常时刻还要“舍车保帅”，但幸亏大多时候还可以拥有活得轻松的心情，因为责任小嘛。想实现角色由低到高的转换，首先要搞清楚自己?承受能力，然后再去努力把能力提高，如此方能担起重任，好高骛远是不明智的。也许我们所需要的，我们想争取的，其实只是一份发热后轻松的心情。
如果说“大材小用”导致的是对个人的浪费浪费，那么“小材大用”蕴藏的则是危险，是对社会资源的浪费。所以严守“大”关实在很有必要。道理是简单的，比较起来却很残酷--谁愿意承认自己是“小”呢？
4、打通结点
在桥梁结构体系中有许多构件相交的结点。结点是指变化相聚之处，或变化出现的地方。不同类型的构件相接处，同一构件截面改变之处，是结点。广义上，诸如结构拉索连接之处、分跨之处，体量改变之处，有外力和结构尺寸变化之处亦是结点。结点无处不在，因为结构体系乃是变化的统一。外力突然袭来之时，对于单一的构件，力量的传递简明，因而容易控制。对于复杂的结构体系，结点的复杂性难于预测和控制，即使从理论上保证了每个组成构件的强度和刚度，但因结点的普遍存在，力量的传递往往不能畅通而出现集中甚至中断，破坏由此而发生。历次灾害表明，从节点开始破坏的建筑占了相当大的比例。
所以理想的结构体系当然是浑然一体的--也就是没有任何结点的，这样的结构体系使任何外力都能迅速传递和消减。基于这个思路，设计者要做的就是要尽可能地把结构中各种各样的结点“打通”，使力量在结点处畅通无阻。中医上云：“通则不痛，痛则不通”，结构就象一个人，气穴若不能畅通，症结和隐患就会产生。在设计的四项基本原则中，“刚柔相济”，“多道防线”，“抓大放小”是概念设计中的战略问题，但要想得让这些战略思想得以实现，靠的是“打通结点”这个原则作为保证的，结构设计的具体操作，最后全都归到“打通结点”的贯彻和实施上来。
如何打通结点？在概念设计里，要解决的是外力在结构体系内重分配的问题，要确保力量是按照各构件的刚度大小进行分配的，避免出现不合理的集中，最终达致静态的平衡。因结构形本为“静”，灭于“动”中。所有 “动” 的因素对于结构均为不利。打通结点保持平衡的目的其实就是使其永远处于原始的静态，当力量不能畅通时，构件与构件之间，构件的组成元素与元素之间的静态平衡一旦被破坏，结构变成机动，“动”即是死，即为终结。可见设计者是协调者，其任务是让所有互不相关的静态构件相聚之后依然处于静态（也就是使其保持常态），或者是处在相对的静态之中。
对比由构件与构件组成的静态“结构体系”， 来看看由人与人组成的动态的“社会体系”，这一静一动之间，实在有异曲同工之妙。
社会体系既是由动态的人组成，变化乃是其常态。如果把变化亦称为结点的话，这种结点是无形的，或者称为动态的。社会的存在和发展，关键在于“动”字，因为其形本为“动”，灭于“静”中，“静”即是死，即为终结。同样的，打通结点的方法是要解决各种各样的，诸如情感、金钱、地位等等的重分配的问题，要确保这种分配是按某种合理、有效的规则来进行的，避免形成集中而不畅，以期达到动态的平衡。任何静态--也许是强制性的静态，出现了对社会都是不利的。打通结点的目的是使社会永远处在动态之中。无论是思想意识、还是行为举止，一旦被限制，一旦处于停滞，出现静态的死角，社会必将有症结和隐患。是以对于任何动态异端，治理者只能以合理之规则加以疏导，不可强其静止，不可逆之堵之，如此方为长治久安。
其实处理和成就世间万物，必须使动为动，静为静，才能平衡；必须动者动之，静者静之，才能持久；必须知其本源，施以规则，顺之导之，才能达至繁荣昌盛。一切的一切，以顺应自然为始，达到平衡为终，诸多规则，只是手段，只为平衡，只为畅通。