——做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是過(guò)程在不斷“試錯(cuò)”，但結(jié)果不允許錯(cuò)。
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今年公司年會(huì)，增加了節(jié)目表演環(huán)節(jié)。為了讓節(jié)目演出效果更好，提前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)彩排。這可以提前發(fā)現(xiàn)不足，有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)。年會(huì)當(dāng)天雖然沒(méi)中獎(jiǎng)，節(jié)目還是很精彩的。
類(lèi)似彩排的活動(dòng)還有軍事演習(xí)，消防演習(xí)等。其目的都是用預(yù)演的方式來(lái)檢驗(yàn)真實(shí)效果。話說(shuō)是騾子是馬，拉出來(lái)溜溜才知道。
不過(guò)有些事，就不大可能真刀真槍地進(jìn)行預(yù)演。像修路搭橋建房子之類(lèi)的建設(shè)工程，就做不到。一方面需要投入的人財(cái)物成本太高；另一方面不具備現(xiàn)實(shí)條件。你想要驗(yàn)證建筑的抗震性能，總不能說(shuō)，來(lái)個(gè)地震試試。
那直接干行不行呢?？赡苓€真行不通。這些項(xiàng)目通常關(guān)系到我們的生命財(cái)產(chǎn)安全。建成后出現(xiàn)問(wèn)題，再來(lái)進(jìn)行整改，那代價(jià)就太大了，這就來(lái)不得半點(diǎn)馬虎。
那用什么方式來(lái)預(yù)演，以達(dá)到用最小試錯(cuò)成本，就可驗(yàn)證實(shí)際項(xiàng)目的安全可靠呢？答案是工程設(shè)計(jì)。
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咱們先來(lái)看兩張圖片。
下圖一：臺(tái)北101大樓，地下5層，地上101層，高508米，目前世界排名第十一高樓（不含在建）。
下圖二：金色球體（也叫風(fēng)阻尼球），由41層12.5cm厚的實(shí)心鋼板堆疊焊接而成。直徑5.5m，重660噸。用8條直徑8.9cm，長(zhǎng)42m的鋼索懸掛在101大樓的87-92樓層中央位置（大概在圖一中紅色箭頭處）。
2015年8月8日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)蘇迪羅過(guò)境臺(tái)北，中心最大風(fēng)力達(dá)到15級(jí)。球體的擺幅達(dá)到1米，設(shè)計(jì)最大允許擺幅1.5米。你可以想象一下，當(dāng)時(shí)大樓的擺動(dòng)有多大。
而這個(gè)球的作用就是，當(dāng)大樓受強(qiáng)風(fēng)或地震作用時(shí)，可起到消耗能量降低大樓擺動(dòng)的作用，確保大樓的安全和降低人們?cè)诖髽莾?nèi)的不舒適感。
如果沒(méi)有這個(gè)球，臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，大樓的擺動(dòng)可能會(huì)大到，以為自己是在坐海盜船。有人說(shuō)它是101大樓的鎮(zhèn)樓之寶，可謂實(shí)至名歸。
101大樓，是經(jīng)歷過(guò)地震和臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)的摩天大樓，可見(jiàn)設(shè)計(jì)的可靠性得到了驗(yàn)證。
那球的大小、 重量、懸掛高度怎么確定，使它發(fā)揮最大的作用呢？這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題之一了。
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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一種預(yù)演。結(jié)構(gòu)工程師把項(xiàng)目預(yù)期要達(dá)到的實(shí)際目標(biāo)，提前轉(zhuǎn)化到圖紙或模型中來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，將問(wèn)題前置，不斷優(yōu)化調(diào)整，用最小的試錯(cuò)成本得到最好的實(shí)際效果。
結(jié)構(gòu)工程師需要按照預(yù)先確定的規(guī)則，運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，將建筑師（或業(yè)主）想要實(shí)現(xiàn)的建筑，搭建結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。通過(guò)不斷優(yōu)化調(diào)整模型，使計(jì)算結(jié)果符合國(guó)家規(guī)范要求，確保主體結(jié)構(gòu)的安全可靠。最終將計(jì)算結(jié)果，用工程語(yǔ)言，以圖紙的形式表達(dá)出來(lái)。
如果能做到，從預(yù)想結(jié)構(gòu)（想要實(shí)現(xiàn)的建筑）到計(jì)算模型；從計(jì)算模型到設(shè)計(jì)圖紙；從設(shè)計(jì)圖紙到真實(shí)結(jié)構(gòu)，整個(gè)過(guò)程中的抽像，簡(jiǎn)化，假定，實(shí)施的一致性，才能最大程度的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際的吻合。設(shè)計(jì)才算是完成了這項(xiàng)預(yù)見(jiàn)性的工作，并發(fā)揮其預(yù)演的有效性，如101大樓里的球體擺動(dòng)幅度，早已在工程師的預(yù)期之內(nèi)。
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怎么來(lái)確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)演作用的有效性呢，我想大概有這么幾點(diǎn)：
第一，成熟的理論體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一門(mén)關(guān)于材料和力學(xué)的運(yùn)用技術(shù)。
1687年牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中，提出了三大運(yùn)動(dòng)定律，建立了經(jīng)典力學(xué)理論體系。其運(yùn)用范圍可覆蓋整個(gè)工程領(lǐng)域。從天體運(yùn)行軌道的計(jì)算，到結(jié)構(gòu)工程的受力分析；從航天工程到機(jī)械工程等，均少不力學(xué)理論的支撐。
在牛頓同時(shí)代提出的胡克定律，也是材料學(xué)最基礎(chǔ)的定律。這些理論都非常成熟，屬于物理學(xué)范疇，都經(jīng)過(guò)嚴(yán)密論證。幾百年過(guò)去了，我們今天依然利用它們來(lái)建造超級(jí)工程，比如港珠澳大橋，大興機(jī)場(chǎng)等。
第二，對(duì)規(guī)范的透徹理解。規(guī)范是大量科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的全面總結(jié)，是具有可操作性的設(shè)計(jì)指南。如荷載取值，包括活載，風(fēng)載，地震等，規(guī)范中提供的數(shù)據(jù)或參數(shù)，都是經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出來(lái)的，具有很高的可信度，最大程度的反應(yīng)實(shí)際情況。
第三，合理的簡(jiǎn)化與假定。在沒(méi)有計(jì)算機(jī)以前，手算的能力是有限的。結(jié)構(gòu)計(jì)算通常會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如三維的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成二維的。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，也盡可能將建筑的平面立面做的比較規(guī)整，這樣便于后面的計(jì)算。即便現(xiàn)在用計(jì)算軟件，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中依然會(huì)用到假定，如剛性樓板等。
合理的簡(jiǎn)化和假定，是計(jì)算結(jié)果可靠的前提。
09年，我們做的一個(gè)摩洛哥項(xiàng)目，里面有一個(gè)石灰石破碎車(chē)間，由地下結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)組成。地下部分較復(fù)雜，平面布置也不規(guī)則，最大埋深達(dá)到17.4m,上部鋼結(jié)構(gòu)帶50t吊車(chē)。
當(dāng)時(shí)沒(méi)有用到像Midas或者SAP2000這樣的有限元計(jì)算軟件。而是通過(guò)簡(jiǎn)化，把整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拆分。拆分為單塊板或墻來(lái)進(jìn)行計(jì)算。后來(lái)咨詢公司圖審的時(shí)候，就提出來(lái)需要進(jìn)行整體建模計(jì)算。認(rèn)為這種簡(jiǎn)化計(jì)算可能會(huì)忽略一些影響結(jié)構(gòu)安全的因素。
現(xiàn)在做類(lèi)似結(jié)構(gòu)，我們可以用SAP2000或MIDAS建模計(jì)算，就可做更精確的計(jì)算。任何一個(gè)構(gòu)件，在任一組合工況下的計(jì)算，都可以得到相對(duì)精確的計(jì)算結(jié)果。
第四，透徹理解軟件計(jì)算規(guī)則。既然是用計(jì)算軟件來(lái)建立模型，對(duì)軟件預(yù)先內(nèi)置好計(jì)算規(guī)則，要有清晰的認(rèn)識(shí)。建模的過(guò)程是在不斷地輸入數(shù)據(jù)，設(shè)定參數(shù)，計(jì)算，調(diào)整優(yōu)化。計(jì)算軟件并不在乎結(jié)果，它也不知道你為什么要計(jì)算。它就像你手中“雙節(jié)棍”，是用來(lái)防身還是自殘，全在你使用的熟練程度。
第五，對(duì)結(jié)構(gòu)所要面對(duì)的一切挑戰(zhàn)要感同身受。在建模時(shí)，并不存在一個(gè)真實(shí)的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)工程師要有一種把自己當(dāng)成是結(jié)構(gòu)本身的能力，結(jié)構(gòu)將來(lái)會(huì)經(jīng)歷什么，處在什么樣的環(huán)境中，將會(huì)怎樣被建造出來(lái)，都非常清晰的認(rèn)識(shí)與理解。
比如，我們?cè)谟?jì)算組合樓板的時(shí)候，模型中的混凝土板是有強(qiáng)度和剛度的。可施工時(shí)，在澆筑混凝土的過(guò)程中它是沒(méi)有強(qiáng)度。如果不能對(duì)這些差異做正確的處理，計(jì)算的結(jié)果就可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。
結(jié)構(gòu)經(jīng)歷著風(fēng)霜雨雪，四季輪回。結(jié)構(gòu)工程師要能像《牽手》里唱的一樣去做的話，（因?yàn)槁愤^(guò)你的路，因?yàn)榭噙^(guò)你的苦；所以快樂(lè)著你的快樂(lè)，追逐著你的追逐。）做設(shè)計(jì)時(shí)就能考慮的更周全。
第六，從計(jì)算到圖紙的一致性。計(jì)算僅僅提供結(jié)構(gòu)是否安全可靠的結(jié)論，最終用于建造的是施工圖。只有把計(jì)算結(jié)果，原汁原味的的反應(yīng)到設(shè)計(jì)圖紙中，將來(lái)建造出來(lái)的結(jié)構(gòu)才會(huì)和模型計(jì)算的結(jié)果接近。就好像學(xué)做人，要人前人后一個(gè)樣。
舉個(gè)例子，我們經(jīng)常在計(jì)算模型中，會(huì)將柱端或梁設(shè)置為鉸接進(jìn)行計(jì)算。那做施工圖設(shè)計(jì)的時(shí)候，梁端或柱端的連接做法，也要能實(shí)現(xiàn)鉸接的功能，才能使實(shí)際與模型一致，如下圖中桁架的支座處理，就是因?yàn)槟Ｐ椭芯褪沁@樣設(shè)置約束條件的。
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以上六點(diǎn)有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更好的發(fā)揮預(yù)演功效，真正的做到用最小的試錯(cuò)成本，得到最好的實(shí)際效果。
搞工程，需要應(yīng)用科學(xué)定律，系統(tǒng)化的預(yù)見(jiàn)性地解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。理論是有限的，必須結(jié)合實(shí)踐。能把《皇帝內(nèi)經(jīng)》和《本草綱目》倒背如流的人，不意味著就會(huì)給人治病。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也一樣，想要編好預(yù)演的劇本（圖紙），也離不開(kāi)身經(jīng)百戰(zhàn)。
