【JY】浅谈结构设计

首先结构是什么呢？ 

    结构是骨架，是建筑的现实意义存在的形式。换句话说，一切的建筑/构筑都有结构，建筑/构筑不同，其结构也大相径庭。物体的结构主要体现在它的起伏转折之处，还有形体本身形状的大的动态趋势。

   首先结构承载的是整个建筑灵魂的建造和精神的表达方式。实际上也有建筑师还是很喜欢用结构方式来呈现一个作品的基本样貌的（如解构主义、高技派建筑）。所以，真正的结构的灵魂是什么？ 

    结构设计是一门学问，是一门多重交叉学科的学问，涉及面非常广，工业与民用建筑、桥梁隧道等等，无所不及。结构设计从大局观来讨论，结构设计组成、结构设计思路、结构设计艺术性、结构设计人文思想。

工程理论——如：荷载学、物理力学、几何学、可靠度等；

材料技艺——如：材料科学、材料效率等；

施工工艺——如：工法 论、系统工程、生成论等；

空间意识——如：定性认知(经验)、定量认知(试验)等。

    将结构设计的思路方法总结为 PSR（Process-Solve-Resistance）方法:

    P（Process）结构行为分析：荷载分析，过程分析，破坏分析。强调荷载与结构内力的分布，以及结构破坏行为与结构关键路径的分析总结。

    S（Solve）构件内力分析：内力分析，强度分析。强调结构破坏行为中，构件的损伤破坏机理的过程分析总结。

    R（Resistance）构件承载力设计：截面确定、配筋确定、构造确定、评估分析。以结构破坏的行为路径来确定结构设防的安全逻辑。 

    S/R=K安全系数保障：力与抗力比值来确定安全系数或性能范围来确定结构的安全逻辑，K 为小于 1 的系数，工程师根据荷载和边界可靠性、结构部位、破坏后果和投资意愿等因素确定。

    (对于各国结构思路顺序可能存在差异，也存在在安全系数上在构件层面或者材料层面安全系数的保障不同。)

    大体上来概括的话，结构设计的艺术性有三层含义：

    第一层含义是通过结构设计，设计出彰显建筑艺术特色的作品，是建筑实体塑造的过程和环节，是造型艺术的具体体现。“水晶宫”和埃菲尔铁塔在建筑史和设计史上享有重要的地位，不仅因为它们突破了当时传统的建筑式样，还因为其裸 露的钢架暗合严谨的力学性能，构成了有效的秩序和有韵律感的结构。

    第二层含义是结构设计内涵的艺术性，即用艺术的手段进行结构设计，是设计技术的艺术化，属于软科学。这些要素因符合审美规律而转化为一种体现使用功能的美，表现在合理性和构成的质感上。

    第三层含义是借助于艺术对结构设计特征进行定位和评价，如设计风格、设计手法、设计特色等方面，是很难用科学和技术的手段予以表征和界定的。如果将结构设计比作一个生命体，则结构计算、结构构造和各类技术措施、技术手段，只是其骨骼和躯体，只有结构设计的艺术性才是它的生机和灵魂。结构设计的艺术性不像结构计算、结构构造那样有一定模式和成规，是没有固定格式和模式的自由创造，我认为是人类高智慧的一种表现。

       对于结构设计人文思想方面，更是博大精深，笔者年纪太轻，目前尚未完全悟到，只能在此蜻蜓点水，抛砖引玉。

    世界消解统一的宇宙秩序，解构了由这种宇宙秩序所设定的统一的价值世界，价值世界出现了多元分化。世界原本是没有意义的，人们为了摆脱和超越当下世界的短暂性和有限性，通过预设与想象，以各种身份的角度赋予世界以某种意义， 也就是说世界原本是统一的。古代思想家老子的《道德经》是给我们广大结构设计人文思想给了不错的启示，是一本不错的“结构设计精髓指南”。

    《道德经》：“万物之始，大道至简，衍化至繁”。首先，结构设计定是大道至简，妙言至径。好的结构方案的基本原理、方法和规律是极其简单，把复杂冗繁的表象层层剥离之后就是结构最本质的原理。好的结构方案一定是方案简洁，受力直接，言简意赅的。

    《道德经》中说：“人法地，地法天，天法道，道法自然”。人道当取法于地，究源及道所本之自然。道之理则贯穿于万有，表现为万有皆相对而存，极则必反，终必归，根本之规律。从道法自然中看结构主体的装配式，混凝土是一种在常温条件下就能从液态向固态转化并产生高强度的独特材料，这种转化是不可逆的。将节点逆而打断实为逆道而为之，极则必反，需要有更强大的能力。顺应自然，道法自然，顺应天道应该本身原本具备装配，运用天然装配式的结构，比如钢结构体系，木结构体系，又如混凝土结构的摇摆墙体系，因此发展本身只有装配才能发挥自身能力的结构体系，而非削弱再补强。

    好的结构作品中，更先进的技术是锦上添花，而非雪中送炭。

    《道德经》中说：弱者道之用。弱可胜强，柔能胜刚，在这“柔弱胜刚强”的道理之中，又蕴含着丰富的结构哲理。反者道之动，弱者道之用，它是互为体用。没有柔弱，化不了地震；要抵抗极大地震，非用弱不可。

    我们之所以坚强，是因为我们柔弱，绝不是因为我们刚烈。柔弱并非脆弱，柔弱需要一种强大的心态，也即是滞回系统的稳定，可恢复功能的展现。而脆弱则截然不同，外部的强大刺 激，导致自身心态的崩塌，也即是刚度退化。

    如果硬要从“弱者道之用”中给出结构类型的比对，那么必然是：

柔弱 > 刚烈 > 脆弱

    柔弱是结构能力最好的展现形式，主要的展现是：

    结构需要柔弱，要加具有可恢复形态的隔震层，让整体结构柔和，运用阻尼器化解外力。（具体的实施增加隔震层，已有丰富实例）

    结构需要柔弱，需要主体结构释放位移，附加具有减震能力的阻尼器，真正实现让柔弱去抵抗地震，而非刚烈或者脆弱去抵御地震。（具体实施，需降低主结构刚度，增加附加阻尼器刚度，增加耗能能力。总而言之，利用柔性结构体系 阻尼器代替刚性结构体系，如：高层框架 多类型阻尼器(速度型/位移型)取代框筒、框剪等刚烈刚性体系。（说明：刚性体系 阻尼器，基本仅在计算中出现微小变形，而该变形并不能很好的释放给阻尼器，若需要较大变形释放，给予阻尼器耗能，刚性体系需要付出较大的代价。）

    （补充，从震害中看，对于同种布置方案来说，相对脆弱更加刚烈所得到的安全储备是更多的，即便地震作用下外力增大了，但远不足自身抗力的提升而增大。）

    我们中华文化推从的坚强、勇敢、大气、谦虚、从容。这不正是我们中国的结构设计师乃至做人所需具备的“柔弱”的品质么？

 那么那么结构设计逐步走向成熟的标志是什么呢？

     我认为结构设计逐步走向成熟的标志应为：

1、逐步完善的规范体系；

2、逐步成熟的计算理论；

3、能经受工程实践检验的计算程序；

4、充足的试验成果和大量的工程经验总结；

5、概念设计等先进的设计思想的提出。

    结构设计要求工程师以工程可实施的方式为具体的工程建设项目提供切实可行的、经济的解决方案，设计工作生动地体现了工程师的智慧和主动性、创造性。设计实质上是将知识转化为现实生产力的先导过程，在某种意义上也可以说设计是对工程构建、运行过程进行先期虚拟化的过程。设计中包括了对多种类型知识的获取、加工、处理、集成、转化、交流、融合和传递。从知识的范畴方面看，设计知识活动包含了那些无法用语言表达、但又意义重大的隐性知识。

    换句精炼的话说：结构设计的任务是让工程师用一元钱做出任何傻瓜要花两元钱才能做的事的人。

    黑格尔说：“形而上学只能寻求经验的完备性，和符合语言习惯的字面分析的正确性，而没有考虑到这些规定自在自为的真理性和必然性。”

    因此，在学习规范时应熟悉了解规范条文的真正含义，并力求吃透规范条文的精神实质，直达规范条文“自在自为的真理性和必然性”，将定式化为结构内力。工程师成才的路上，最忌讳没有抓到设计的真相，全部是规范表面和所谓的经验说辞，尽信书，不如无书。愿每位读者都能参透规范奥义，而非形而上学，做到结构工程“始知真放本精微”。

     许多人，甚至大师，终其一生都在努力追求结构设计真理的道路，结构学博大精神，与大家一起学习与分享。