【JY|理念】结构概念设计之(设计理念进展)

    土木工程经历三个阶段：古代土木工程，近现代土木工程和现代土木工程。古代土木工程用材，主要天然材料，如泥土、木材、石材为主。而近现代土木工程的开端，是水泥的诞生，它通过英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时的发现:要获得水硬性石灰,必须采用含有粘土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆,较理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。后续的，主要的研究大部分落脚于研究各式各样的HPHV混凝土（注：HPHV 即 High-Performance High-Volume Fly Ash Concrete（高性能高粉煤灰混凝土））和研究提高混凝土的耐久性（注：影响混凝土耐久性的一个重要因素是裂缝。比如如果水泥中C3S的含量提高很多，水泥的磨细度也大为提高，这使得混凝土获得早强，但它的干缩和温度变形也大为增加。所以，这样的混凝土比更易开裂，从而影响耐久性）。

    现在土木工程的标志是与信息技术革命或纳米科技发展息息相关，发明越来越多的新型材料，同样延续着人类利用创新思维进行探索和创造。高强度材料、轻质材料的应用，减轻结构自重减轻建筑重量，为减轻结构自重创造了条件。

(b)土木工程中的宏观角度看：

即结构工程的发展创新是为了解决两大问题：

    a.结构受力力学行为的科学反映方式，如数学模型的构建或解释现象的理论完善。

    b.对于工程中客观存在的不确定性的科学度量方式，通常在学界中以工程

(a)近代结构设计理论创新

    力的概念提出，使得对于结构工程分析有了强有利的分析和保障。不仅如此，应力、应变的概念也联系了细观变形和宏观结构的定量转换关系，也给人们在宏观世界的经验上有了细观层面定量的解析，由宏观世界和细观世界统一的经验理性推测广义胡克定律也成了弹性力学建立最重要的三大基石之一，它的创新是将土木工程提升了一个理论维度，而非单纯的经验设计或臆测的方法。

    基于弹性力学的建立，使得土木人对于结构材料和承载力有细观的意义，也由此刻画了允许应力来表述材料强度理论。时代的促进推动下，1825年，Navier首次创新性的提出了允许应力设计法，这是结构工程近代结构设计理论的雏形。土木大师Navier结合了当时时代数学力学背景，结合自身土木学科特点，创新性提出允许应力设计法，即便在今时看来落伍，但在那时已经是具有相当开创性的观点。这样的创新思维，它是基于前人、其他学科的知识综合积累，打碎原有固化思维模式，利用积累的知识体系碎片，重新构建新的设计理论体系，这是当下土木人创新必备的素养之一。

近代结构设计理论主要的问题在于：

    1、近代结构设计理论的设计主要依赖于结构力学构建结构受力和材料力学的单构件的线性分析，而人类处于的世界是高度非线性的环境，数学模型已经不能满足人类日益增长的需求；

    2、近代设计理论仅仅将工程的不确定性以安全系数法的概念简单规避，为了保障结构未知的安全性，这使得材料的安全系数需要较大，因而结构虽然建立了理论分析系统，但仍然处于“吃力不讨好”结构状态，该阶段的结构和该阶段的土木人的工程设计世界观处于线性世界和结构确定性的设计。

    由于在日渐发展的理论和工程界的推动下，1930年后，催生了一批以格沃兹杰夫为代表的优秀土木科研人员，开始打开以构件极限强度分析与基于经验统计的概率性结构安全系数度量为基本特征的现代结构设计理论。这一维度的设计分析是对结构可靠度和非线性材料力学发展的推动和该时代的特征，也构建了现代目前工程结构基于构件强度进行设计的基本格局，为推动混凝土结构、钢结构的构件承载力极限强度或正常使用状况分析起了重要的理论背景保障。

    在现代结构工程设计时期，建立以梁柱结构体系的极限强度分析（初步了解杆系结构的分析：【JY】从一根悬臂梁说起）、板壳结构极限强度的构件分析（初步了解杆系结构的分析：【JY】板壳单元的分析详解），以分项系数法，考虑多种荷载组合极限状态的近似概率作为荷载分析的方法，这些都构成了现代结构设计的重要发展。

    这一时期也涌现出不少的促进非线性分析雏形建立的大师，如19世纪的伦敦皇家学院的Pippard教授、20世纪的剑桥大学的Baker教授，二人相继共同构建的一套严格的技术理论，并且Baker教授开始以旧的几何学理念和现代的能量学结合，构建形成新的“塑性理论”，推动无尽所需，根据实际情况，安全经济可靠的建造可服务式极限状态，该理论构成塑性理论的能量学原理，其中的几何学坚守了塑性铰链的概念、旋转中心、以及用来维持兼容性的约束条件等的理论。

    尽管现代结构设计理论在结构设计中取得了巨大的成就，但现代结构设计理论对于结构受力的力学行为的反映在工程客观存在的随机性的度量是局部的、不完整的、近似的。如在构件上受力可以很完美的描述构件从弹性到塑性直至破坏的过程，而由于结构进入弹塑性后，内力会进而重分布，使得该设计理论并无法有效的说明构件在结构体系中真实的损伤演化。现代设计理论，提倡的这种结构设计中分解方法对于当代工程师、我国土木工程教育仍然有较大根深蒂固的影响，但以单一构件的强度设计保障，很难确保在结构分析和构件设计两个层面上的理论协同，对于存在对结构体系受力力学行为本质认识不一致的矛盾，导致目前仍有大部分的“稚嫩”工程师仅对单一构件有较好的关注，而无法把握区分结构宏观体系的力学行为，也无法很好的注意到，在结构分析中采用线弹性力学、 忽略非线性的影响，而在构件设计中则考虑了非线性受力力学行为的影响，即缺乏对整体结构的大局观。

    由于在结构层次忽略非线性受力力学行为的分析，在结构受力过程中真实存在的非线性内力重分布就不能得到科学反映，线弹性的结构内力分布不能反映真

实的非线性结构内力分布规律。这样的问题推动了当下21世纪的前十年各国土木科研人员的理论创新，这是时代性的创新思维体现，由于静、动力非线性数值分析方法的趋于完备、弹塑性力学和损伤力学的趋于成熟、概率密度演化理论的出现，形成了当代结构设计理论得以奠基的三大基石，目标是为了实现结构生命周期中的整体可靠性设计，能更精确的描述真实世界中结构的非线性问题。对于结构性能化设计发展也是在一阶段兴起和发展，虽然目前当代设计理论基础已经趋于完善，也形成的当下创新的框架雏形，但真正完备的当代结构体系设计理论还需等待我们当代新兴土木人的努力和探究，应用我们的知识储备，结合我们的创新思维，进而完成创新性的研究工作。

    同时，在日新月异的技术创新中，土木科研人员、工程师希望能理解或者更想去解决每次达到新的彼岸后遇到的新问题，试图更想去突破技术瓶颈，在概念空间中，即一致性领域，设计师或土木科研团队中间的学问会随着时间的流逝改变，每个时代的土木人需要通过当下不一样的资源和当下环境来构建思维逻辑和设计思想，每一代的土木人都会以不同的思路看待事物，而当下到以后的一段较长的时间，即通过土木人的想象、判断和推理，将科学、技术、数学和实践经验应用到设计、制造中，结合材料科学（如新材料研发）、计算机（如现代优化算法和图形学构建的结构拓扑）、信息科学（如BIM全寿命周期设计系统）、电子信息工程（如信号检测分析和处理的结构健康监测）、机械（如减隔震元件设计）等等方面，交叉结合促进土木工程研究创新。

图 BIM全寿命周期协同

（具体可见：【JY】今日科普之BIM）

图 结构健康检测系统协同

图 隔震结构的基本原理

（具体可见：【JY】近断层结构设计策略分析与讨论）

    首先对于结构概念的理解必须对知识体系的融会贯通，否则内功不足，概念设计常挂嘴边将会变成感觉设计，靠感觉臆想的设计并非概念设计。

    实际工程千变万化，并非几本规范或几个公式所能包括的，必须由设计人因地因时制宜，寻求较好的解决方案。概念设计必定包含如何运用理论力学、材料力学和结构力学等等（如下入门级结构学习体系）的基本概念去思考问题的想法。规范设置的条条框框，是可以松动的（如果本事够硬的话），但是不论是谁，在数学力学和材料等方面的基本原理则中，是不能违背的。

    因此拥有深厚概念设计的人一定必备两点：

    1、理论知识扎实深厚；

    2、经验丰富(包括试验经验 设计经验)。

    这里简单整理下必备的结构学习体系: