概念设计与结构哲学

碧野田间牛得草 2016-05-12

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关于混凝土结构设计，有人曾做了如下阐述：“在许多情况下，结构会接受我们不成熟的假设和不完善的数学模型，结构在失效（破坏）前会耗尽其自身所有的支持能力”。这段话有多重涵义，可以有多种解读。结构设计并不存在精确解，它其实是个模糊区域，它的合理性也是有限的而不是无限的。但设计师不能因此而粗制滥造，不严谨的结构设计也是存在隐患和风险的。

首先，结构分析的假设和模型。一般来说结构设计都要将建筑物合理的简化为力学的模型，并假设适当的外力分布模式以简化结构计算。显然一切假设都是人的主观假设，主观假设并不一定符合客观实际，有时候整个力学模型的简化或者是外荷载的分布模式（比如风体形）与建筑物的真实状况相去甚远。幸运的是已经建好的建筑却也可以一直使用到生命周期的结束，这就是因为我们的结构是“智慧”的，比如混凝土的徐变会将应力水平由高的区域扩散到应力水平低的区域，以此自动调节结构的内力平衡，诸如支座沉降的自调节，正如河流有自净能力，民主政体有纠错机制。但结构的自我调节也是有前提的，它绝不是无条件的：一，必须提供至少一条合理的传力路径；二，外力不能超过结构的极限承载力。因此，结构设计应该建立在尽量合理的假设和力学模型上，最坏的情况是假如这些前提是错误的，那么必须在概念上提供合理的、可替代的传力路径，供结构自我调节之用。

其次，弹性分析和塑性设计（极限状态）的矛盾。由于混凝土结构中荷载，材料徐变，以及构件有效惯性矩（与很多因素有关）的不确定性等，导致混凝土结构的精确分析是一个非常复杂的问题。一般结构设计需要在保证安全的前提下将复杂的问题简单化，选择弹性分析方法，有几个原因，一是弹性分析简单却可以得到一个确定的分析结果，并且其内力与实际情况下的内力具有很大程度的相似性并且对于真实的塑性情况具有较好的预判断性（可借助塑性内力重分布方法），因此基于合理力学模型上的弹性分析结果，可以使结构设计得到一个值得信赖的内力分布模式；二是从下限理论的角度看，我们可以自由地选择结构的内力模式，只要它能在给定的强度和边界条件下满足力的平衡条件，所以弹性分析得到的结构内力也可以看作是我们从无穷多内力模式中选择出来的一个而已，并且对于弹性分析的结果做基于塑性内力重分布的假设之后，即采用弯矩调幅后的内力模式也可以认为是一个被选择出来的、用于设计的内力模式。因此，虽然这种分析--设计方法从根本上是不协调的，但是这样做却是安全和保守的，对于一个超静定结构，只要外荷载小于弹性计算值时，经过正确设计的结构是不会破坏的。然而，需要特别强调的是虽然混凝土结构对于外力具有非常好的自调节作用，但是假如设计内力的模式与实际分布差距太大，则会引起裂缝、变形等有关正常使用方面的问题，甚至会引起过早的破坏，也正是在这个意义上，我们采用弹性分析的内力，却并不拘泥于弹性分析的结果。

第三，混凝土结的内力重分布和失效（破坏）。一般来说超静定结构不会因为一个截面达到其极限承载力而破坏，对于混凝土结构，当一个截面达到极限状态时会形成一个塑性铰，它允许截面有较大的转动，而弯矩却基本保持不变，塑性铰的出现和转动是实现结构内力重分布的必要条件，然而假如塑性铰的转动能力有限，不足以保证截面的承载力不下降，即构件的延性太差则不但无法很好的实现内力重分布，更可能造成结构构件的破坏，进而引起结构传力途径和抗力体系的改变，因此，保证混凝土结构的延性意义重大。利用混凝土结构的塑性内力重分布不但可以获得混凝土结构足够的储备承载力，也可以更真实的反映结构的内力分布模式，而且有可能减轻如梁端等临界区域的钢筋密集程度，方便施工。对于构件而言，弯矩重分布主要取决于受拉钢筋的配筋率。对于普通跨度的板，通常配筋率很低，因此也具有良好的延性，适合采用塑性设计方法；框架梁由于要综合考虑水平力，因此配筋率较高，应考虑弯矩重分布。

混凝土结构具有很强的自动适应我们计算假设的能力，这些计算的假设也许并不代表最合理和自然的解，但是智慧的混凝土结构可以纠正我们的缺陷和错误。混凝土构件可以在自身承载力的范围内转移和接受被转移的内力以实现自身调节的能力，然后这一切都建立在设计师对于临界截面的内力分配和转移有良好的概念判断，并且合理的设计截面的承载力和延性的基础上。（部分引用于网络资料）

土木工程是一个崇高的行业。它的魅力在于把人类的想象借助科技力量加以实现，同时为人们提供住房，创造就业机会，提高生活质量。这就是土木工程师的职责。

——赫伯特·胡佛（工程师，人道主义者，美国第31任总统）

1。历史与现状？

耶鲁大学毕业的詹天佑的历史，就是在清末和民国初年的与英国，日本，德国的工程师的抗争，与现在的西方工程师来中国的争夺设计权和施工权毫无差异！与西方合作过的人都有深感，其中微妙关系。詹天佑先生的人字铁路就是突破常规的想法，就是概念设计，规划的合理设计，因地制宜，自强不息，驱除鞑虏。

土木工程设计师，必看电影：《詹天佑》！！强烈推荐！现状与当时是多么的相似！清朝的王爷千般阻挠，武断指挥，克扣工程款。事情更不好办。

中外合作和较量的本质。倘若詹天佑复生，看到北京南站，上海南站，武汉新站，广州新站等一个个重大工程前期的概念设计大权旁落，天佑是何等心情？！

洋人工程师就成了突破“专家审查”，有效途径，中国专家又怕洋人，一百年都没有变！特别新CCTV之后，尤其是CCTV新楼之后，基本给世界一个信号:中国，钱多，人傻，快来！

专业的，非专业的，中国通洋人都来到中国，他们读的历史和中国方面的书，比中国人读书都多，他们深知中国的现状，他们一直研究中国的历史，，每月读2本中国书，我曾经笑着对一位洋人工程师朋友讲： “你在中国获得成就远远比欧洲大的多！”他笑点头，这句话比较有意思的。

和这位朋友打过几次交道，出现分歧的时候，拍桌子大骂发生过一次，尽管大骂过，这点和中国人不同，他们不计较大骂，照样笑嘻嘻地，洋人厚黑功底比较深。

中国的资质审查制度，只能给中国的留下施工图设计，在重大的项目工程中，尤其是典型的建筑工程中，概念设计和方案设计基本被西方把持，

留给中方的仅仅是价格低下，耗费时间和精力的一些基本上是查核规范的工作，这个又是中方擅长的，乐不思蜀，控制权和决断权仍然要竞争。

基础设施方面，李国豪等老一辈在南浦大桥的建设成功，夺回了重大桥梁的设计权，

比较一下西方知名大学麻省，耶鲁，卡耐基梅隆，斯图加特，苏黎世高工与中国知名大学同济，清华等的教科书和课程表，以及哲学教育，就知道民用建筑方面需要一代甚至几代的努力，或许会赶上，超越。

也就是民国期间，我们的建筑工程师们建造了一大批杰出的结构工程，杭州钱塘大桥，中山纪念堂（上部钢结构，下部混凝土结构），包括新中国建国以后的建筑结构，如北京火车站，上海同济大礼堂等等一批当时在物资极度匮乏的境况下，研究土木工程史就知道当时处于前列，欧美的在工程师很惊讶中国的水平。当时西班牙，德国，瑞士，墨西哥等国际友人注意到了中国的结构设计水平。

现在呢，各类软件充斥整个设计院，真伪有限元充斥中国设计院，黑匣子充斥设计院，标准图集充斥设计院。比如楼梯配筋，厚度按照标准图，要知道楼梯一般是现浇筑混凝土结构，与结构整体浇筑在一起，K型支撑作用哪里去了？一位助理结构工程师拍桌子讲PKPM就没有考虑，全国都没有考虑，也罢，居然某些大院老总也如此认为！结构程序的出现很大程度的减轻了计算工作量，当变成黑匣子的时候，又把设计师眼睛上蒙上了一块黑布，标准图又是一匹瞎马，业主的“科学发展观”的鞭打下，可谓“盲人骑瞎马,夜半临深池”！

<规范加一体化结构程序 >—— 迫使结构设计成为东拼西凑的计算机程序的操作者和规范条文限值的查对者！汶川地震让人震惊，震惊的是大量的框架结构并没有按照规范的屈服机制屈服，地震烈度高不能回避对“他杀”，“自杀”的核心问题。

不识大梁真面目，只缘身在此板中。

陈青来先生，平法表示的确是一次创新，图纸表达方面的创新，极大解放了绘图工作，机械部总院（中元国际）1994年邓潘荣，周廷垣教授请陈教授率先推广，复杂的问题简单化，是一次很大的革新。国际其它发达国家采用了梁的表示方法见下图：具有借鉴之处。

2。距离结构真实是近了远了？

近代土木工程从十七世纪中叶到二十世纪中叶的约300年间，经历了最初以伽利略、牛顿和虎克所创建的力学理论为标志的“奠基时期”(1660-1765)和以英国工业革命为标志的“进步时期”(1765-1900)以及第一次世界大战前后包括20世纪30年代欧美各国大兴土木的“成熟时期”(1900—1945)。尤其现在的计算机诞生，有限元的强大实力，一切结构成为可能！结构设计自由了！果真如此吗？

我们大学的博士，硕士，在学习弹性，塑性，大举进军弹塑性的时候，又有谁去到现场，又有谁了解我们的建造者呢？我们的农民兄弟！也有人称他们是：文盲+流氓！当我们的塑性设计进入执行阶段时，是不是早已经进入了超塑性了！

欧拉、贝努力的平截面假定大大解放生产力的时候，当克拉夫动力学如一盏亮指引人前进时，混沌来了，抹煞一切结构工程概念，将结构变成0110时，上帝笑了！

半个世纪前混凝土结构已经如此美妙！

3。结构概念与有限元工具？

对老少皆学习花费大量精力学习有限元，土木工程有限元，航空工程有限元的时候，学习完成之后，摆出大有登天入地之势！如果不从结构的基本概念入手而直接进入有限元，老人学习可谓：‘百岁老翁攀枯枝。’小孩子学习可曰：‘井上辘轳卧婴儿。’

4。当代我们结构设计缺乏什么？

有幸在今年北京遇到英国曼奇斯特的大学教授季教授，他和他伙伴和博士生的一个研究兴趣之一就是分析50年以前的结构概念设计，现代的计算手段进步发挥的作用远远不及结构概念的作用。我们为欢呼胜利的水立方结构，结构概念的提出来自于澳洲的PTW和澳洲ARUP，和国人的有限元计算以及试验促使了成功！佛山世纪莲以及深圳宝安体育场均来自德国的SChlaich的概念设计。

5。结构工程师的出路？

土木工程经历了四个时期，砖石木时代，罗马的拱结构，中国的赵州桥，当时的概念设计让现代的计算手段分析自愧不如。铁器时代：埃菲尔铁塔，中国的铁索桥，混凝土时代：sears大厦，金贸大厦，等典范。钢索时代：布鲁克林桥，苏通大桥，水立方，世纪莲，将结构引向轻型化方向。但也有背离的此方向的个别案例，仅仅在中国。

下一个时代是什么？当欧美的大师在学习东方哲学时，近代轻型结构的始祖德国大师（Frei otto）包括前国际空间与壳体结构主席川口卫很惊讶老子的哲学，自然的哲学。我们又该是不是把目光投向东方哲学。

LY Lin先生取得了惊人的成绩时：他说; “我越发发现我自己有点骄傲了，因为我学会了东方的哲学，是我土木工程创新的源泉。”

开拓空间形式和功能成为结构设计师的唯一出路，艺术和技术在古时是统一的，越来越走到工程设计师的方向，留给艺术家的仅仅是装修的东西。研读林先生的著作不能发现，他不仅仅在概念方面著名，同时通晓制作，安装，造价等各个方面，这个就回答结构工程师的出路问题。

6。结构概念是结构设计的灵魂！结构是建筑的精髓！

当今已经形成了世界的两个顶级的工程学派，斯图加特，芝加哥，如果追溯到春秋战国，空间张拉结构的开始应源自墨子的风筝（用于军事），骨架式膜结构的开始；中国木塔结构，筒中筒结构，唐宋既有剪刀撑，早有领先西方的智慧和技术。

现在结构领域一个不争的事实，西方领导东方，他们投放了大量的工具（BIM，高等有限元，流体分析，多场耦合），甚至是故意**，占领市场，因为他们到对中国的早时期的结构智慧感到惊讶同时看到了我们现代的技术实力不足以与其抗争。

7。少年强则国强，少年弱则国弱！

梁启超先生的少年强则国强！

德国斯图加特英才辈出的地方如：莱昂哈特邦德国桥梁结构工程和钢筋混凝土专家。1909年生于斯图加特。1931年毕业于斯图加特工业大学。1933年留学美国，在珀杜大学作研究生，1938年以《梁排的简化计算》论文，获斯图加特工业大学工学博士学位。1934年以后，莱昂哈特在国家高速公路总局斯图加特桥梁局和国家交通部等单位任工程师。自1958年起任斯图加特大学教授，1967年当选为斯图加特大学校长，1974年退休后任名誉教授。莱昂哈特曾主持设计、建造过一些有名的桥梁如：德国第一座高速公路悬索桥；杜塞尔多夫—克尼斜张桥等10座莱茵河桥；美国著名的帕斯科—肯纳威克预应力混凝土斜张桥（1978年建成）,主跨299米，采用新颖的悬浮体系。他创造了悬臂浇筑法、顶推法等先进的桥梁施工技术而多次获得世界桥梁设计竞赛的大奖，对桥梁，特别是对预应力混凝土桥的发展，作出了较大贡献。此外，1956年莱昂哈特还设计了第一座带有塔顶旋转餐厅的斯图加特预应力混凝土电视塔(高 210米)等其他结构。莱昂哈特在钢筋混凝土梁的抗剪理论方面有较深造诣。他曾先后出版了著名的《圬工结构教程》（已被译成多种文字出版），以及《桥梁──美学和造型》等著作。莱昂哈特曾任国际桥梁及结构工程协会、国际预应力协会以及国际壳体及空间结构协会等的领导职务。（项海帆）

编制注：（项海帆是世界著名力学家，桥梁学家，教育家李国豪的最得意的学生之一），我想一定是项先生只所以将莱昂哈特介绍给中国，是因为深受李国豪的影响，李国豪与莱昂哈特有相似地方，相似的教育背景，极具创造性的世界级别大师，教育家。

不是在这里谈大师的成就，而是他们的年龄，德国莱昂哈特30岁左右已经创立了莱昂哈特顾问事务所。而莱昂哈特打破了局限，在结构领域翱翔。

不同于中国设计院的显著特征是：中国设计院基本是专业设计院，如各个部院，铁道部设计院，交通部设计院，建设部设计院，水利部设计院，机械部设计院，电子部设计院，冶金部设计院，电力部设计院，化工部设计院，市政设计院，或省市民用设计院，专业人才济济,有利有弊。

一个人完成完成大学教育22岁，如果工作到30岁也有8年时间，勤奋好学也进步可以成为领域专家。完成研究生教育25岁，不断进取，5年也基本成为该领域专家，完成博士生教育28岁，深入结构，2年基本也可能成为该领域专家。我们相信：机会属于那些不断改变，调整的知识结构，不断进取的人！

人的可贵的创作时间，如同生命过程其实很短暂，也就是10年。

工程师的生命周期：

18岁～25岁，接受优良高等教育。

25岁到35岁之间是，是积累技术资源，创造性工作的最佳时期。

35岁～45岁，是积累社会资源的高峰期，社会性工作的最佳时期

45～55岁，两类资源的交叉期间，需要传承后者，培养学生。

55岁～65岁，学生已经到了开始的25岁和35岁之间，一个轮回。

65～75岁，桃李满门，颐养天年。