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日志

我理解的结构分析和设计(fwd非一线设计人员,扬弃)

已有 426 次阅读2015-1-11 13:48 |个人分类:structures| 土木工程, 业内人士, 开发商, 旁观者, 设计院

我理解的结构分析和设计
作者:EvilGao 2014-12-09
作为一个土木工程专业的学生,大学期间的我对结构分析和结构设计之间的关联和区别完全没有概念。总体的感觉就是分析设计好想是做同一件事的两种不同的叫法而已。当时我脑子里仅有各学科的课程和知识点,一旦上升到整体结构层面的知识,就糊涂的很。对于结构分析和结构设计,我当时觉得两者都是算,差不多,分不太清楚。后来我想弄清除这个问题,向一些进了设计院的前辈师兄请教,问他们设计院里是怎么做分析怎么做设计的,结果得到的回答是结构人的工作基本就是画图,占了90%以上的时间,建模型做分析设计的时间不怎么多。可见这回答也把分析和设计放在一起,没说出两者的区别和联系。直到在金土木工作之后才对结构分析和设计有点概念。而且由于不是一线设计人员,所以理解可能不太一样。设计院的甲方是开发商或工程总包商,金土木的甲方是设计院。所以我这种岗位既是站在旁观者的角度看分析和设计,又勉强算是业内人士。理解中谬误和偏差的地方恳请同行斧正。


一、结构分析的目的
先抛开设计,只谈分析。我理解的结构分析的目的就是用已知的结构相关知识预测结构在某种特定环境下的反应。这是种比较理论的工作,学校里开设的“某某学”中所讲到的知识,基本都是结构分析必须具备的知识,比如“材料力学”“结构力学”等等。这些科目都属于自然科学,研究的都是自然规律本身以及模拟自然规律的方法。结构分析人员掌握这些知识后,将实际的或还在构想中的建筑抽象成结构模型;模型由梁板墙柱、荷载约束等抽象的概念组成;然后针对这个结构模型,选择合适的计算方法,计算出结构的内力、位移以及可以由其推出的其他数据。这个预测过程是人类共同行走的道路,不会因为国界的不同而有所区别。同一个建筑只要是放在同一个自然环境下,不管是在英美还是在中日,建筑的性能和表现应该是一模一样的,与建筑规范无关。所以全世界的结构分析知识是通用的,只存在知识技术新旧优略的更替,不存在国别的差异。这就是为什么我国很多标志性建筑的结构分析和初步设计可以交给不懂中国规范的老外来做(当然设计出图阶段还是由精通我国规范的工程师完成)。
有人提到说结构分析时加在结构上的荷载是与规范有关的,各国都有些不同。我是这样理解的,各国各地区之间由于自然环境不同,对其范围内的建筑结构所受的各种荷载的期望值是不同的。但对于很多荷载模式来说,这只是数值上的不同而已。例如纬度高的国家雪荷载标准值大一些,赤道上从不下雪的地方没有雪荷载的规定等等。再就是一些针对复杂荷载形式,各国可能选取的简化算法可能不太一样。比如静力模拟地震作用分析,我国采用底部剪力法,美国就不太一样。但其实这些区别都是形式上的区别,力学理论和思路都是一样的,所以我所说的结构分析与规范无关是在这个层面上,并不是绝对的。

二、结构分析的方法
不知是我的原因还是学校课程设置的原因。本科毕业时我掌握的结构分析的知识极不成体系。对线性、非线性,弹性、塑性,静力和动力仅有最基本的了解,根本搞不清这些分类之间的关系以及各种分析方法在实际工程计算中的定位。这直接导致了我读研期间阅读文献的吃力,因为我硕士毕业论文的方向是弹性结构研究,导师的课题之一是研究弹性结构的几何非线性。而我查阅的文献动辄谈论弹性结构的塑性分析和动力分析,读的我十分头大。于是有一天找到导师很丢人的问人家最基本的问题:什么是线性分析、非线性分析、静力分析、动力分析?导师的回答非常耐心,他告诉我静力线性分析没什么特殊的,就是一直以来大学里教的各种结构计算理论和方法;静力非线性分析包含我正在研究的弹性结构的几何非线性问题,还包含许多其他议题,如材料非线性等等;动力线性分析也不是特别的难于理解,给线性结构一个变化的力,算出它每个时间的力和位移(他没提反应谱和频域分析);“动力非线性分析”,他笑着跟我说,“就完全是另外一回事了。要考虑到结构的各种非线性因素,还要在各个时间点上对结构的响应进行迭代计算,实际的计算工作必须交给专业的电脑程序来完成。这是一个很复杂的议题,至今很多科学家和工程师仍在投入很大精力进行研究。”他最后总结说,我的毕业论文可以完全抛开动力分析部分,专注的把弹性结构的静力分析搞懂就行了。这样,再加上后来不断地阅读书籍和文献,我好歹是对结构分析方法有了个肤浅的认识。
结构体系按结构对荷载的响应方式,可分为弹性体系和非弹性体系。简单复述Chopra(2007)的解释:力与其引起的结构变形之间呈线性关系的体系称为弹性体系,为了强调承“线性关系”以及“加载与卸载过程曲线相同”这两个性质,常用“线弹性体系”这个术语。与之相对的,力与其引起的结构变形之间呈非线性关系,卸载和重新加载曲线不同于初始加载曲线的体系称为非弹性体系。对线弹性体系的分析叫线弹性分析,对非弹性体系的分析叫非弹性分析,通常也被称为弹塑性分析。
按照加在结构上的荷载是静荷载还是动荷载分类,结构分析又可以分为静力分析和动力分析。 于是有了四种组合:静力线弹性分析;静力弹塑性分析;动力线弹性分析;动力弹塑性分析。
建筑结构常用分析方法如下:
静力线弹性分析: 常规静力分析:结构在恒载活载等荷载作用下的响应; 静力风荷载作用分析;静力地震作用分析:将地震作用等效为水平静力的方法,如底部剪力法等;线性屈曲分析:线性屈曲问题属于第一类失稳,在分析过程中不考虑结构的非线性属性;
动力线弹性分析:模态分析:也称为振型叠加法动力分析。虽然这是对结构本身性质的分析,与外荷载无关,但它为相关的静力分析提供结构性能参数,包括静力风荷载作用分析和静力地震作用分析。并且模态分析是结构动力分析的基础;反应谱分析:是一种拟动力分析方法,先使用动力方法计算质点地震响应,并使用统计方法形成反应谱曲线,然后再使用静力方法进行结构分析;线性时程分析:比反应谱更为真实的结构动力分析方法,可以输出地震作用整个过程每一时刻的结构位移及内力响应;
稳态分析:用于求解结构在随时间简谐变化的激励作用下所发生的响应问题,比如一个转子给工业厂房一个谐振力,计算厂房的响应;
功率谱密度分析:用于预测结构在承受连续的随机激励时,结构响应为某个特定幅值的概率大小;
移动荷载分析:分析结构对移动荷载的响应,比如车辆荷载在桥梁上移动时桥梁的响应等等;

静力弹塑性分析:
Pushover:也称推覆分析,简单来说就是给结构一个侧向力,不断地推推推,直到指定点的位移已经达到之前设定的限值,或者推坏了结构。最后估计结构和构件在大震下的非线性变形;施工顺序加载分析:不将结构荷载一次性施加在结构上计算,而是考虑到顺序分层施工引起的分层加载影响,以及收缩徐变等因素的影响。比如央视主楼“大裤衩”那两个大悬挑,就必须采用施工顺序加载分析,保证两个分别施工的悬挑最终能够对接在一起;
考虑材料非线性、几何非线性等的静力分析; 非线性屈曲分析;

动力弹塑性分析:
非线性时程分析:很复杂的议题,有机会单拿出来讨论;

这基本上涵盖了建筑结构分析常用的所有分析方法。其实在结构工程师日常设计工作中用到分析理论知识的时候并不多,但我认为对这些知识的掌握对于工程师的进步是非常有必要的,具体理由在“四、结构分析与结构设计的关系”中讨论。


三、结构设计的艺术
一般提到的“结构设计”,有广义和狭义之分。广义"结构设计”中的“设计”与“建筑设计”“广告设计”“汽车设计”中的含义相同,指“设计”这件事的过程或成果。设计人员说的“建筑正在设计中”以及“修改设计方案”,都是广义的设计,前者指过程,后者指结果。而狭义的“结构设计”中的“设计”,专门指:采用结构分析输出的数据,根据规范对结构整体和单个构件进行设计验算,查看是否满足要求。
2006年我刚上大一,正值盗版美剧在互联网上热播,其中“越狱”尤为火爆。聪明勇敢的主人公作为结构工程师,既有超帅外形,又有非凡的头脑,成了无数土木男女的偶像。剧中有一段对话,是主人公回忆他加入某个高端事务所时面试时说的,人家问他为什么选择这个专业,他回答说(大致意思)结构设计是一个非常优雅的工作,工程师在头脑中把各种材料、构件组合装配,最终形成为人们所用的东西。估计这句话说到了每个工程师的心坎里。凭借自己的知识和经验,把众多建筑材料组成结构构件,再把结构构件科学地组装,然后对整体结构有着高度的感知和把握,不断改良,最终把虚拟的建筑带入现实世界,为人民所用。确实是很了不起的一件事情。这是浪漫主义者眼中的结构设计,那么结构设计具体的工作流程是怎样的呢?
现有结构工程师的工作环境和状态姑且不提,我认为理想化的结构设计过程应该是这样的:1.建筑师给出建筑的外观轮廓以及建筑内部的功能区域划分等信息,结构师根据建筑师限定的要求给建筑选取结构形式(建筑师一般也可以结构选型);2.结构初步设计:初步选取各结构构件,建立结构整体模型—进行分析,算出内力和位移等数据—然后采用这些分析输出的数据,根据规范对结构整体和单个构件进行设计验算,修改验算不通过的构件,或增删构件或调整构件位置等—修改后的模型再进行分析,算出数据—再根据规范验算,修改不通过构件……如此循环重复,直到结构整体和所有构件都符合规范要求,并且与建筑、水暖电等其他专业相互提条件,互相满足条件,如开洞等等。再就是大体上满足甲方的材料用量等要求。3.结构深化设计,各专业相互提条件,相互满足条件的同时深化各自的设计。混凝土结构进行配筋,钢结构进行节点设计等细化设计工作。各专业不断沟通修改,最终所有专业的设计敲定完成。4.出施工图:画图,出图。
上述设计过程已经是高度理想化的了,实际的设计工作远比这复杂的多。但即使是理想化的设计过程,也要求结构工程师反复的对结构模型进行修改-分析-设计-再修改-再分析-再设计。这个不断反复的过程是谁都逃不掉的。对设计(广义,名词)的每一次修改,意味着对结构的重新分析,以及重新设计(狭义,动词)验算。结构设计是与规范结合非常紧密的,由于各国的自然环境不同、对不同功能建筑的态度不同以及对结构工程知识的研究程度不同等种种原因,各国建筑规范千差万别。工程师对规范的熟悉程度以及对结构整体力学特性的感知决定了其能否快速设计出令人满意的结构。一个做设计的同学讲:不会设计的生手设计出的结构,用料又费,各个指标还才将将通过;会设计的高手设计出的结构,不但符合要求,节省材料,各个指标还有余量。由此,可以推想到整个结构工程专业的艺术性。Wilson教授(2002)在他的扉页中引用了一句话:

结构工程是这样的艺术:所用材料的性质只能估算,所建实际结构仅能近似分析,所承受的力不能精确获知,而我们的责任关系到公众安全。
看到这些话让我想起了自己在大学物理的课堂上,赵微老师反复的强调作为土木工程师责任的重大。她说如果一个医生在一次手术中犯了一个严重的错误,最坏的可能性是一个人失去生命。而一个工程师如果在一个设计或施工过程中犯了一个严重的错误,那么最坏的可能性不可想象。
我虽然不直接做结构设计,但我的工作使我可以在国内各个设计院横向的走动,拜访拜访这个院,接待接待那个院,有时还有机会与国外的工程师交流交流。再加上有几个同学在国外工作,使我对国内外结构设计行业的情况有个大体的了解。我认为国内结构设计的环境让人十分不安。具体的问题和原因在这里不作讨论,痛心疾首却又无能为力。这里引用一下《SAP2000常见问题解答:二、建模》中的一段,作为一方面的参考:
欧美的结构工程师对软件前处理建模要求不如我国工程师高。理由如下:众所周知欧美国家现在建筑项目现对于我国来说极为稀少,所以多是经过激烈的投标竞争并且精工细活完成的。经常会有这种情况:一个在我国半年就能完成项目,而身在欧美的建筑设计企业要干上3年,注意:我是说身在欧美的企业,不是欧美企业。为什么给咱半年绰绰有余的项目,老外公司要干3年还不倒闭呢,不追求经济效益了么?因为:1.身在欧美企业让员工加班是要给加班费的,拼命让员工加班加点反倒有可能把公司干垮了;2.有的国家法律规定一定级别的项目设计时间和施工时间不得短于一定期限,这就企业留足了时间精工细活;3.欧美企业设计的建筑,虽然可能法律规定的使用年限跟我国差不多,但很多公司设计的建筑是照着千秋万载设计的。尤其和我国不同的是民宅的设计,在欧洲国家,建成一百多年还在用的民宅多得是,比如我读研时跟人合租的二层木结构小楼据说建成了120多年了,状况依然十分良好。照着千秋万载而不是20年一拆的目标进行设计,我认为还是是要多费些心血和时间的。4.最重要的一点,欧美企业为了生存大多按合同办事,甲乙两方按合同尽义务,负责任,该出图的时候给图,该付款的时候付款,所以欧美设计企业被违约欠款的风险较小,上了轨道的设计事务所一旦一个大合同签订,大家有条不紊的按时上下班做项目,公司妥妥的再活几年没有问题。总而言之,身在欧美的工程师和设计师相对于我国的,是有大把时间来反复修改设计的,于是他们对分析设计软件前处理功能要求并不太高。
多说无益,空谈误国,实干兴邦。


四、结构分析与结构设计的关系
回到最初的话题,基于上述观点,本文讨论的结构分析和设计的区别与联系终于可以总结为:“分析”的任务是利用结构工程知识计算出内力和位移等相关数据;而狭义的“设计”是指采用分析输出的数据,结合规范对结构整体及单个构件进行验算,检查结构是否符合规范要求。广义的“设计”过程包含了“修改”、“分析”和狭义的“设计”工作。
结构分析和设计是密不可分的。拿武侠小说打个比方,分析就好比是内功,设计就是外功。内功决定着一个武者学习新武术的速度和深度,外功则是克敌制胜的直接手段。内功深厚的人耳聪目明、行动迅速、出招伤害大、恢复能力强;外功造诣高的人对某种功夫或武器极度纯熟,招式变化繁多,战斗中游刃有余。结构分析基本工扎实,知识掌握理解的深厚的工程师,无论是扩展知识面接受新的分析和设计方法,还是深入学习研究某个专业议题,都会比别人得心应手;设计经验丰富的工程师,对设计规范了解精深,实际工程见识的多,遇到问题随机应变,快速找到解决办法。和武侠世界一样,结构领域高手众多,但大师级别的人物相对很少。因为真正的大师必然是内外双修,既有深厚扎实的理论功底,又有丰富的实践经验。而一般的高手只能主抓一方面,另一方面相对较薄弱。毕竟人的精力都是有限的,而且能否成为大师与个人天赋、方向、经历甚至运气都有很大关系,不仅仅是努不努力的问题。
就目前的实际结构设计工作来讲,结构分析中计算的的工作基本都交由软件完成。再加上有的软件就是为了节约工程师动脑的时间而存在的,导致结构分析的和设计的大部分过程都交由软件完成。工程师只用模式化的把模型搭进程序里,由程序选择分析方法和输出的结果,再由程序来进行设计验算。工程师只是把模型扔进一个黑盒子,出来的东西直接拿来就用。造成这种情况的原因很多,这里不讨论,但显然这种工作方式对工程师个人来讲是有一定危害性的。关键问题就是过度依赖软件而荒废了结构分析的内功。结构动力学大师Edward·Wilson教授(2010)说:“‘有人工智能的专家级电脑程序系统将会取代有创造力的人类’,这种想法是对所有结构工程师的一个侮辱”。我遇到很多做了十几年结构设计的工程师,经验算得上是丰富,干活也快,但是很多基本的结构概念不清,学习新的结构分析手段有困难,以至于无法胜任一些超限复杂项目的分析与设计工作。常规的建筑结构会设计的人越来越多,而且都越来越年轻并且精力充沛。二十年前能独当一面设计民用多层住宅的人个人收入待遇应该很不错,但今天呢?分析底子薄弱阻碍了很多工程师事业的发展。我在学校时对自己事业的规划是做N年XXX工作,做N年XXX工作,到了多少多少岁,我就能如何如何了。现在想来这种以工作年数来衡量知识技能掌握程度的方法相当不科学。其实时间是不会教给人任何东西的,只有学习和经历才能让人获得知识和经验。参加工作后,一个人如果不主动学习,又没有一个逼迫你被动学习的环境,很可能很长一段时间下来,会的东西依然很少。甚至有可能出现有些人本来还能胜任某工作,一段时间后反倒干不了了。随着技术的进步,市场要求的提高,导致这些人已经会的知识已经被淘汰,已有的经验对现在和未来的工作没有多大帮助,能干出来的成果已经不满足市场的要求——这就是我们常说的落伍了。我国建筑规范8到10年一更新,新的结构分析方法也在不断地被我国实际项目所应用。十年前我国没多少工程师听说过PUSHOVER,基于性能的设计,也没几个工程师做过动力弹塑性分析。而如今全国范围内各种超限结构拔地而起,这些结构的设计者都要具备这十年前甚至五年前没听说过的知识和技能,时间是不会教给他们这些东西的。分析和设计是工程师最主要的工作,二者密不可分,相辅相成,忽视任何一方面都很有可能耽误个人的进步和发展。(没有实际经验就空洞

五、再说两句
一直以来没有写博客的习惯,直到看了刘未鹏的文章《为什么你应该(从现在开始就)写博客》,收益匪浅,有了把自己学习和工作中的领悟写成博客的动力。
可能会有人觉得我作为一个一天设计都没干过的人,口气未免有点太大,动不动提到什么“知识”什么“人类”,太小题大做了。这个博客是我学习过程的一个副产品,里面除了技术性的内容,其他文章都是把自己的思路做一个整理,这些东西确实是我想到的内容,可能是因为我这人心里就喜欢跟自己说些假大空的话吧:)。我很喜欢那个小故事:问一个正在砌砖墙的工人在干吗,根据他回答自己在砌砖头,还是在盖房子,还是在建设城市,可以大概对这个人的生活和工作态度有个了解。我的资质愚钝,能拥有的大概也只有个积极的态度了。

参考文献
Chopra, A. K., 谢礼立, 吕大刚等 译. 2007. 结构动力学理论及其在地震工程中的应用-第二版. 北京:高等教育出版社
Wilson, E. L. 2002. Three dimensional static and dynamicanalysis of structures. Berkeley, California: Computers andStructures, Inc.
Wilson, E. L. 2010. Static and dynamic analysis ofstructures. Berkeley, California: Computers andStructures, Inc.
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