怎么样培养对结构概念的感知

怎么样培养对结构概念的感知?托马斯.库恩说：自然科学家以及工程师和社会科学家不太一样，不愿意讨论学科中带根本性的问题，认为这些东西离应用比较远。

现在都在谈论创新，结构又是一个印象中最因循守旧的领域，如果根本性的东西不理顺，想创新是很难的。

有关结构设计的方法论，林同炎教授曾经有过论述（见其书《结构概念和体系》）。

因为现实生活的压力，结构设计人员很难对与其设计生产率关系不大的理论产生多大的兴趣，所以一直以来也鲜见有关这方面的论述。

在这里我们先讨论通常的结构设计的理论基础和设计流程，然后指出它的不足，接下来提出一种改进的思路。

首先，大家对常见的结构这个词有什么样的认识呢？一般可能都忽视了。

我们常说的有政府结构，社会结构，内部结构，数据结构，分子结构等等。

总的来说，结构（structure）研究的是具有某种空间分布形态的系统，该系统的各部分（或其某种特性）的几何组成关系是考察的重点。

力学结构系统重点考察材料和质量的空间分布。

材料的空间分布经常被抽象为刚度表达。

结构分析侧重于研究空间形态已知的系统的性能，而设计的主要任务则与此相反，主要是根据需求推导出某种经济合理的结构布置方案（Solution）。

结构就是几何对象的空间组成关系。

结构设计者的工作通常是要寻求某种满足给定目标的效能最优几何体系。

可见，系统的整体空间形态和各部分的组成关系是结构研究的主要内容。

所谓的结构力学现在实际上应该叫结构分析力学，其内容仅仅是分析一个给定的结构系统在外界荷载作用下的反应，研究其计算方法和精度。

徐芝纶：“对工科各专业说来，弹性力学的任务，和材料力学、结构力学的任务一样，是分析各种结构物或构件在弹性阶段的应力和位移，校核它们是否具有所需的强度、刚度和稳定性，并寻求或改进它们的计算方法。

”这就体现了结构力学的分析观点。

但在实践中最有意义的同时也是最有意思的内容应该是如何有意识的去促成结构的优化组成，去主动的调整以形成一个最好的空间几何形式。

什么样的结构形式是好的，这一点，自然界提供了很多的例子，是我们学习的丰富材料。

结构设计者永远不要把自己限制在工字钢，混凝土，变形和应力中，应该更广泛深入的了解自然。

经过漫长的进化，在自然界的动植物中存在合理的结构形态，在那里存在着大自然的非常多的结构杰作。

人体本身就是这样的一个杰作（仿生学的一个重要内容）。

1）结构设计的理论基础。

目前一般认为力学是结构设计的基础知识。

当然力学的范围非常大，具体来说，与工程设计直接相关的各种力学学科包括弹性力学，材料力学以及结构力学及理论力学，对设计人员最熟悉的应该是材料力学和结构力学了。

在这些学科中都叙述了足够多的分析的技术，如何求出结构系统中具体构件的内力（结构力学），如何根据内力求出具体构件多个截面危险点的应力（材料力学），总之，都是一种分析的方法，其中心方法论是分解：将大系统分解为相对独立的小系统或构件，然后对构件进行单独的考察。

但在实践中其只注意了“拆”的过程，而没有注意“合”的过程，对整体缺乏足够的关心。

一般的弹性稳定理论也侧重于单个构件的分析技术，例如梁、柱等，一旦面对构件组成的系统，就缺乏相应的手段了。

实际上对单个构件有用的结论应该立即推广到构件系统中，这才是理论应该发挥作用的地方-从具体到抽象，从个别到一般。

很多的结构设计者总是试图将结构看作非常特殊的东西，于是会出现象“船舶结构力学”，“建筑结构力学”等特殊名词。

他们往往能注意差别，注意了特殊性，却对联系重视不够。

多高层建筑中楼面的刚片就是力学中刚体，质点或者理想弹性体与理想流体的一种近似。

2）规范体系。

没有规范的昨天我们依据什么东西设计呢？根据最基本的物理力学原理和工程实践的常识，其实这就足够了。

规范滥用和误用造成的危害远比没有规范的危害要大。

这应了老子的话：“法令滋彰，盗贼多有”。

但是现在情况完全变化了，规范成了我们唯一的依据。

因为过于强调规范的重要性，大家都忘记了规范是怎么来的，大家都忘记了规范一直在不断发展变化的事实，也忘记了理论永远落后于实践发展这一基本规律。

在没有规范或者规范系统不发达的昨天，工程师发挥自己的聪明才智作出了各种各样的结构，现在的市场压力使工程师都成了制造重复产品的工具。

现在据说我国的土建规范有3600本，共16万条，可能也没有哪个人能够看完，即使看完也没有任何意义。

对规范的应用要看其精神实质而不能仅仅只看字面要求。

因为规范实际上规定的只是通常结构的一般情况，实际工程中经常会遇到超出规范范围的问题，如果仅仅只从字面意思上进行评估就会限入教条主义的泥潭。

规范的复杂化和烦琐化和工程师处理实际问题的思路尖锐的冲突，越是简单的东西规范中越是规定的详细复杂，但在实际工程中根本不会这么做。

在实践中越是复杂而重要的东西，规范要么语焉不详，要么一笔带过。

除此之外，规范的体系结构存在如下问题（可能各国规范都有这种问题）1）主要对单个的构件的验算条款和构造要求进行了详细的定义，对构件组成的系统的整体论述很少。

2）对一个具体构件罗列了各种检验条款，但没有这些条款之间的主次关系和层次关系。

说所有的条款都一样重要等于没说，在设计中经常要处理的问题就是对不满足个别条款的构件的安全性作出判断，同等重要相当于都不重要。

3）另外，现在流行的规范都使用基于数学概率理论的可靠度理论，使用这种相对抽象的理论可以计算出构件的可靠度（对应其失效概率），然而不能在实践上计算结构体系的可靠度，我一直很奇怪这种理论是如何在结构设计中应用的。

整体不等于部分之和。

现在几乎所有的规范都是所谓极限状态的了，用纯数值分析的方法处理结构问题或者用纯系统论的方法都不够确切。

3）传统上结构设计的方法，计算简图与建模。

其实质上仍然是一种分析的方法，首先抽象出结构的计算简图，也就是软件中的分析模型。

模型的边界条件以及荷载工况是需要重点考虑的问题之一。

另外模型中构件的层次结构与深度应该直接能体现出建模者的设计意图。

对模型主要根据结构力学的理论求出构件的内力，再根据相应的规范对构件作出校核，此时使用的主要是材料力学和结构力学的内容。

根据各个局部的结果来判断整体的安全性，即如果所有构件都通过条款，则结构是安全的。

如果有不通过的，则应该调整模型直到所有构件都通过为止。

4）传统的结构设计流程：首先根据可靠度理论，规定结构的可靠度。

现在抗震设计和非抗震设计一般是分开考虑的。

其次，形成计算简图或模型并且加载，荷载的大小和组合方式也是根据可靠度理论来的，应该和后面的分析与规范验算相对应。

在此基础上，可以进行分析了，最常用的是一阶线性分析，设计规范中的许多条款系数就是以此假设为基础的。

在设计阶段，不同的参数对应不同的分析模式，不同的条款用不同的组合效应去验算，这一块儿已经被设计人员所接受了。

这里想要重点指出的是，这四个基本的环节是相互之间有密切联系的，最终的目的是要达到相应的目标可靠度。

当然，其中的每一步都不是严格意义上精确的，但四部分的结果能够是精确的。

这只是一种判定结构（实际上应该是构件）可靠度的方法。

即建立目标可靠度―建立简化力学模型―加载并组合-力学分析--规范验算（实际验算单个构件）。

在这四个环节中，我们有可能根据先进的力学理论和工具把力学分析求解这一步做的非常精确，比如使用Pdelta分析或非线性分析，但如果模型本身就是理想简化的，则根据简化模型得出的结果仍然是不精确符合实际的（例如通常没有考虑材料的非线性对结构刚度的影响。

即使耗费巨大精力做除了非常符合实际的模型，也用了非常高效的求解手段，但因为输入的荷载是不精确的（最有可能控制设计的风和地震往往是最不精确的），得出的内力结果并不代表构件实际的受力。

假设我们能够通过某种艰巨的努力，能够弄清楚每根构件的各种真实受力，但是因为可靠度是一种社会接受标准，是受人的主观影响的，按真实内力求出的可靠度并不是一个客观的值。

简单来说，电厂里的梁就要比通常的楼面梁要大而且应该大。

最后一个要命的地方，所有构件都检验通过和构件组成的整体的安全性没有直接的关系，一个简单的例子就是格构柱既要算分肢和缀条的稳定又要考虑柱整体的稳定。

整体不等于部分之和。

从头到尾，做了一遍无用功。

设计者往往习惯于得到所谓更真实的内力。

很多时候，考虑更精确的荷载的加载方式、考虑更合理的模型，考虑规范条款更合理的解释应用都比单纯的考虑更精确的内力好。

我把这种情况叫做面向分析的结构设计或者叫面向内力的结构设计。

这种设计模式可以作为面向概念设计的一种补充，而不能当作根本。

为什么WILSON说：那种认为智能专家系统将会取代结构工程师的说法是对所有结构工程师的一种侮辱，从林同炎身上可以看出来，是无法取代的。

这种设计流程本身存在重大的缺陷，至少还存在一种其它的设计方法。

5）传统设计方法的局限性。

1)该方法在数学效率上有可能是低效的。

该方法需要遍历系统一中每个构件，如果系统的规模增加，计算量的增长是巨大的，有可能是非线性的关系。

如果是巨型模型，成本会极高。

有一种机械论的观点，如果知道某时刻宇宙中所有粒子的状态，那么使用一台计算能力无穷大的计算机我们能计算出宇宙的未来。

现在知道是没有考虑计算成本的问题2）在逻辑上是有问题的。

很显然，整体并不等于部分之和。

每一根构件上所有点的应力有可能满足要求，也只能代表这写孤立的构件满足要求，并不代表整体结构满足要求。

反过来，局部几根构件不满足的系统整体上也并不一定不可行。

3）这种设计方法对加载的形式和精度要求非常高，因为通过构件的内力校核构件，严格来说必需保证所有可能出现的最不利方式都要考虑进去，实际工程中绝对是一个非常庞大的数字，实际上是不可能完成的任务。

如楼面的活荷载的不利分布。

对每根构件来说，其出现危险的工况可能是各个特殊的。

4）这种抛开结构的整体空间形式，将构件各个孤立的考察研究的方法有可能造成本质上具有巨大缺陷的设计。

因为某些宏观的缺陷只有通过提升抽象层次后才能发现。

这个后面将会详细论述。

一种相对成熟的思考问题的方法1）结构的空间几何特性是与具体材料的无关的，是一个结构中最本质的东西。

从这个意义上说，几何学是结构设计的理论基础。

几何学是一个很特别的学科，既是数学的重要分支，又属于物理，是一个非常有趣的领域。

当然，我们研究结构中这种特殊的几何学是，可以用某些特殊的方法，比如说物理方法（例如能量原理，虚功原理）。

或者说数学方法，例如微分方程，矩阵或线性代数。

或者是两种方法的结合。

一个简单的例子，一个真正高效结构形式，例如H型断面，可以用钢材做，也可以用混凝土或预应力砼等。

在分析中任何时候都可以把弹模剥出来只保留和结构几何特性有关的量。

所以几何学，数学和物理学才是结构设计的真正的基础，而不是规范本身。

规范本身是一个不断发展演化的简化算法，代表了我们对常规的构件设计的理解，可以将其看作工具，而决不应当作圣经。