计算机设计软件对结构工程师的影响

计算机设计软件对结构工程师的影响



　　　　　　　　　　　　　　作者：刘铮

　　1 引言

　　随时代发展和科技进步，我们已进入信息社会。在建筑领域，有许多可用于工程结构设计的软件。毋庸置疑，它们当中PK—PM系列的结构设计软件是结构设计中应用最广泛的软件之一。它把结构工程师从繁重的手算、手工绘制图纸中解放出来，使结构工程师有更多的时间深入思考，进行创新设计，模型比较等工作，极大地提高了结构设计的效率，并使较为复杂的工程结构在不同工况下的整体分析变成可能。总之，该系列的结构设计软件对我国的的基本建设工作功不可没。
　　但目前的情况是，在结构设计中，计算软件的广泛使用也带来一些负面的影响。表现为，部分结构工程师在选择和利用计算软件这个问题上缺少科学态度，过分的依赖于计算机、设计软件，把计算机、计算软件作为知识、经验、思维的替代品；把自己对建筑结构的无知隐藏在计算机的黑匣子里，进行着大量习惯性、传统的结构设计，对计算机结果明显不合理、甚至错误的地方不能及时发现，使许多的建筑结构留下安全隐患。针对这一现象，本文主要就结构设计软件对结构工程师的影响及改进思路提出看法，供大家商榷。

　　2　关于“PK—PM工程师”

  “PK—PM工程师”，是大家对结构工程设计中那些缺少专业知识，或专业知识严重退化，仅凭有限的工程经验，完全依靠计算机及设计软件进行工程设计的结构工程师的戏称。笔者在参与工程设计，结构工程师培训等一系列工作中调查发现，结构工程师中这一部分人的比例不在少数，而且还在增加。那么“PK—PM工程师”是怎样产生的？我们先回顾一下结构设计软件的发展与使用者的现状。

　　2.1　计算软件的发展和使用者的知识结构与变化
  PK —PM系列结构设计软件诞生于20世纪80年代，已从第一代手工输入数据文件的平面分析程序，发展到现在具有“智能”的第三代空间分析程序。空间分析程序由采用薄壁柱理论的三维杆系结构分析，发展为基于壳元理论的三维组合结构有限元分析[1]。使得结构计算软件的理论较为科学，而且具有较高的计算精度，已广泛用于比较复杂的工程结构计算。 那么使用这些计算软件的工程师有什么变化呢？我们也可以把使用这个系列软件的结构工程师划分为三代：第一代使用这个系列软件的工程师大多毕业于上世纪85年以前，当时由于计算理论和计算手段的限制，这一部分工程师一般都具有多年手算、手绘的工作经历，有丰富的工程结构设计经验，使得他们具有较为清楚的力学和结构概念，结构设计软件的出现为他们提供了强有力的设计工具，两者的结合使我国的建筑结构设计水平有了较大的提高，但这部分工程师的人数越来越少；第二代使用这个系列软件的工程师大致毕业于上世纪85～95年之间，由于当时条件的限制，计算机不像现在这样普及，他们也多少经历了手算、手绘的结构设计工作，这一代结构工程师开始接触计算软件的时候，在老一辈的工程师指导下，应用软件进行结构设计也有较为清楚的力学和结构概念，这部分工程师在人数上不是最多，但现在是设计界的主力；此后的第三代结构工程师，在人数上最多，是设计界的生力军，由于计算机的普及，他们在学校学习期间就已开始广泛应用计算软件，不可否认，他们具有较高的计算机应用水平，但也造成了他们对计算机的过分依赖，使他们的力学、结构概念先天不足，由于工作的繁忙，在后来的设计中也没有得到有效的加强。例如：有的人在进行设计工作多年后，尚不清楚水平力对高层建筑的重要影响，“强柱弱梁”的设计原则在抗震结构中应怎样体现等等。

　　2.2 “PK—PM工程师”的形成
   随着PK—PM系列结构软件的“智能”化水平不断提高，结构设计人员组成中的两部分人的存在令人担忧，一部分是：第二代结构工程师中的部分人和第三代结构工程师中的许多人，他们对设计软件产生了严重的依赖性，甚至形成了一种错误的认识，认为结构设计很好做，只要会用计算机就行；第二部分是：工作在欠发达地区，没有经过工程师训练或只经过很少训练的不具备结构工程师能力的设计人员，他们缺少必须的力学、材料、结构知识和有关的工程经验，但利用“智能”化的设计软件也能够进行结构设计。这两部分人形成了一批“PK—PM工程师”，即离开了计算机设计软件就一事无成，应用计算机软件设计问题工程的“结构工程师”。

　　2.3 “PK—PM工程师”造成的隐患
　　PK—PM系列结构软件向智能化发展，这是技术进步带来的必然结果，无可厚非，软件开发者的良好初衷也不容怀疑，但由此造就了一批“PK—PM工程师”对我国建筑业的正常有序发展却不是好事。原因在于，目前的结构设计软件，使进入建筑结构设计的技术门槛过低，不具备设计能力的人员也可轻易进入结构设计领域；技术门槛过低还造成设计市场的恶性竞争，较低的设计收费会产生大量的不负责任的工程设计，使得许多建设工程留有安全隐患；过低的设计收费还使得设计单位无法进行精心设计、不利于设计单位的持续发展；另外，这种情况还导致了许多结构工程师的懒惰，不利于结构工程师的学习提高。在建筑结构设计领域如何避免产生“PK— PM工程师”，结构工程师如何避免蜕变成“PK—PM工程师”是一个值得我们思考的问题。

3　结构工程师与结构设计软件的关系

　　一个合格的结构工程师最重要的是具备责任感、有完整的工程概念，在结构设计过程中的概念设计阶段就能把握好能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的薄弱环节；其次再辅以必要的计算和构造措施，使设计出的房屋建筑具有良好的性能和足够的可靠度[2]。

　　3.1 结构工程师应注重概念设计
　　概念设计是结构工程师展现先进设计思想的重要环节，结构工程师对特定的建筑空间应能用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并处理好结构与结构、结构与构件和构件之间的关系，确定好细部构造的做法。在这一环节结构工程师尤其应注意：
　　⑴在建筑方案设计阶段，初步设计过程一般是不能借助于计算机来实现的，这就需要结构工程师综合运用自己掌握的结构概念，根据成熟的工程经验形成的设计原则、设计思想，创造性、灵活的运用它们，选择经济合理的结构方案；
　　⑵结构工程师应能比较客观、真实的理解结构的工作性能。因为，现行的结构设计理论与计算理论还存在许多的缺陷或不可计算性，如：基于弹性理论的内力计算方法与基于塑性理论的极限状态设计方法之间的矛盾，使计算结果与实际结构的受力状态相差甚远，要弥补计算理论的缺陷，实现对工程中大量无法计算的结构构件的设计，就需要通过概念设计和构造措施来满足结构设计的目的。在这一过程中，结构工程师切不可为计算机计算的高精度结果所迷惑，造成对结构工作性能的误解，使工程留下安全隐患；
　　⑶结构工程师应处理好结构的协同工作，保证结构构件在承载能力极限状态下能共同受力、共同工作，且具有共同的耐久性能。如：基础与上部结构的共同工作性能应处理为一个有机整体；对结构中的各种“长、短”构件（长柱、短柱、长梁、短梁）应尽可能协调其长细比、跨高比，对边缘构件，如剪力墙、角柱、底层柱等，应恰当选择构件截面，布置合理，通过结构措施保证其强度和变形，满足结构受力、刚度和经济方面的要求。

　　3.2　概念设计中应注重结构刚度的控制
　　结构概念设计的重要内容之一，就是结构整体刚度和构件的相对刚度控制设计。在结构布置和结构计算分析时，一般的结构工程师比较关注的是荷载的产生及其数值大小，即比较注重“力”的概念，而往往忽视或轻视结构或构件抵抗外力的变形能力、反映结构构件内在联系、影响构件内力及变形相互关系的“刚度”。事实上，结构中力的平衡、变形的协调以及由此产生的构件内力都是通过构件自身的线刚度，以及连接构件之间的相对刚度的大小来体现的。因此，结构工程师应十分重视、透彻理解结构刚度理论，尤其是对相对刚度理论。在结构设计中对刚度理论科学地运用，不仅能够避免结构产生不安全因素，消除结构隐患，而且可以保证构件以至于整个结构在荷载作用下，受力合理并获得最佳的经济效益[3]。
　　结构设计的刚度控制应贯穿于结构设计的全过程，例如：将楼面刚度设计为无穷大可使计算出的各抗侧力构件的内力较为准确，保证结构的安全性；将高层建筑设计成竖向刚度均匀连续变化，在任何楼层处不会产生位移突变，也就不会形成薄弱部位，在遭受罕遇地震时就不至于倒塌或发生危及人们生命的严重破坏；将建筑结构两个主轴方向的侧向刚度协调均衡，使建筑结构两向甚至多方向的动力特性相近，可抑制结构的扭转效应，使结构变形简单，较好的保证结构的安全；在平面刚度发生突变，产生薄弱部位的地方，在采用“精确”计算和多种构造措施都难于满足抗震要求的部位，通过合理的设置防震缝，解决平面刚度突变的问题；等等……。

　　3.3　结构设计中应注重计算软件的选择
　　针对上述问题，结构工程师面对繁多的计算软件应该怎样选择呢？首先，应根据工程情况了解设计软件的使用条件。如：一般情况下可首选空间分析程序对混凝土结构进行整体分析，包括底框结构也同样如此。其次，根据工程结构的复杂程度选择不同计算理论的空间分析程序。例如：建筑平面中有一贯穿两层的中庭，楼面刚度受到较大削弱，选用TAT程序计算就不妥，应选用SATWE计算，因其有楼板分块刚性假定[1]。另外，应对所计算的工程特点有针对地修改计算参数，例如：由于非结构构件的刚度存在，在计算上无法反映，房屋的实测周期（合理周期）将大于计算周期的2～3倍，导致地震作用偏小，不能满足最大层间位移角的限值，也不能满足最小剪重比的限值，因此必须进行周期折减，不能一味采用程序提供的缺省数值而造成计算误差。再者，应了解程序计算原理对实际操作的影晌，例如：一个工程由防震缝将上部结构分为独立的三个结构单元，在平面输入时为求画图方便，将其作为一个工程输入、计算，这样一来在整体分析时程序是按三个单元在同一振型下进行分析，这与工程实际是不符的。正确的做法应该是分成三个独立的工程进行输入、计算，计算完成后绘图时拼成一个工程。最后，结构工程师还必须具有对结构分析软件计算结果正确性的判断能力，例如：不同工程结构的自振周期的范围，不同场地土的底部剪力大小等。

4　几点建议

　　4.1　修改软件的使用方法，提高技术门槛
　　对于结构设计软件，目前情况下，过分的“智能”化不利于工程结构的设计，不利于结构工程师的成长，不利于社会的发展。应该把结构设计的前处理、结构分析和后处理完全分开，让结构工程师的成长符合发展规律，由低到高的逐渐成长，不能象现在一个人在短期内借助计算软件完成所有的工作，而其中有些工作他还没有能力处理。后果可想而知。

　　4.2　调整软件智能化的发展方向
　　在目前的技术条件下，由于建设工程项目的多样性和复杂性，智能化设计还不可能完全达到适应一切工程的要求，且可自动的进行工程优化设计。所以提高结构工程设计质量和水平的重要方面是增加工程图库，专家系统，让结构工程师有更多的信息咨询。

　　4.3　结构工程师应尽快提高自身素质
　 面对未来的机遇和挑战，结构工程师应尽快提高自身的素质，对计算机、对规范标准的过分依赖不利于未来的竞争。发挥主动性和创新精神，适应技术进步和变化，培养竞争意识，才能适应未来建筑领域内的变化。对此结构工程师应有思想准备并尽早顺应这种变化。

参考文献
　　[1] TAT，SATWE技术条件及说明书.建研院PKPNMCAD工程部，2003
　　[2] 丰定国，王社良.抗震结构设计.武汉：武汉工业大学出版社，2001
　　[3] 张元坤，李盛勇.刚度理论在结构设计中的作用和体现.建筑结构，2003，（2）：6-11