一位当代结构设计师对于概念设计的审视

转 一位当代结构设计师对于概念设计的审视1。我们结构工程师在设计什么？ 也就是民国期间，我们的建筑工程师们建造了一大批杰出的结构工程，中山纪念堂（上部钢结构，下部混凝土结构），包括新中国建国以后的建筑结构，如北京火车站，上海同济大礼堂等等一批当时在物资极度匮乏的境况下，研究土木工程史就知道当时处于前列，欧美的在工程师很惊讶中国的水平。当时西班牙，德国，瑞士，墨西哥等国际友人注意到了中国的结构设计水平。 现在呢，各类软件充斥整个设计院，真伪有限元充斥中国设计院，黑匣子充斥设计院，标准图集充斥设计院。比如一个悬臂梁宽900，梁端部配筋50根32，稍微有结构概念的设计师就知道，弯矩图端部为0，根据构造配筋足以！计算机根据裂缝控制条件给出的计算结果。预埋板几乎无法安置！比如楼梯配筋，厚度按照标准图，要知道楼梯一般是现浇筑混凝土结构，与结构整体浇筑在一起，K型支撑作用哪里去了？一位助理结构工程师拍桌子讲PKPM就没有考虑，全国都没有考虑，你为什么让我考虑呢？我怎么会考虑？！也罢。居然某些大院老总也如此认为！ 结构程序的出现很大程度的减轻了计算工作量，当变成黑匣子的时候，又把设计师眼睛上蒙上了一块黑布，标准图又是一匹瞎马，业主的“科学发展观”的鞭打下，可谓“盲人骑瞎马,夜半临深池”！ 2。距离结构真实是近了远了？ 拉丁格言：简单是真的标志， 美是真理的光辉！ 近代土木工程从十七世纪中叶到二十世纪中叶的约300年间，经历了最初以伽利略、牛顿和虎克所创建的力学理论为标志的“奠基时期”(1660-1765)和以英国工业革命为标志的“进步时期”(1765-1900)以及第一次世界大战前后包括20世纪30年代欧美各国大兴土木的“成熟时期”(19001945)。尤其现在的计算机诞生，有限元的强大实力，一切结构成为可能！结构设计自由了！果真如此吗？ 我们大学的博士，硕士，在学习弹性，塑性，大举进军弹塑性的时候，又有谁去到现场，又有谁了解我们的建造者呢？我们的农民兄弟！也有人称他们是：文盲+流氓！当我们的塑性设计进入执行阶段时，是不是早已经进入了超塑性了！ 欧拉、贝努力的平截面假定大大解放生产力的时候，当克拉夫动力学如一盏亮指引人前进时，混沌来了，抹煞一切结构工程概念，将结构变成0110时，上帝笑了！ 3。离开计算机，我们仍旧是结构工程师吗？ 一块挡土墙，怎么设计，高端的有限剖分一下，在配筋。正好没有计算机软件狗，没有办法计算，没有狗不行我们结构师不行呀！只有狗才行！只能这样告诉业主。 对老少皆学习花费大量精力学习有限元，土木工程有限元，航空工程有限元的时候，学习完成之后，摆出大有登天入地之势！ 如果不从结构的基本概念入手而直接进入有限元，老人学习可谓：百岁老翁攀枯枝。小孩子学习可曰：井上辘轳卧婴儿。 4。当代我们结构设计缺乏什么？ 有幸在今年北京遇到英国曼奇斯特的大学教授季教授，他和他伙伴和博士生的一个研究兴趣之一就是分析50年以前的结构概念设计，现代的计算手段进步发挥的作用远远不及结构概念的作用。我们为欢呼胜利的水立方结构，结构概念的提出来自于澳洲的PTW和澳洲ARUP，和国人的有限元计算以及试验促使了成功！佛山世纪莲以及深圳宝安体育场均来自德国的SChlaich的概念设计，拉丁的格言：简单是真的标志，美是真理的光辉！。 5。结构工程师的出路？ 土木工程经历了四个时期， 砖石木时代，罗马的拱结构，中国的赵州桥，当时的概念设计让现代的计算手段分析自愧不如。 铁器时代：埃菲尔铁塔，中国的铁索桥， 混凝土时代：sears大厦，金贸大厦，等典范。 钢索时代：布鲁克林桥，苏通大桥，水立方，世纪莲，将结构引向轻型化方向。但也有背离的此方向的个别案例，仅仅在中国。 下一个时代是什么？ 当欧美的大师在学习东方哲学时，近代轻型结构的始祖德国大师（Frei otto）包括前国际空间与壳体结构主席川口卫很惊讶老子的哲学，自然的哲学。我们又该是不是把目光投向东方哲学。 LY Lin先生取得了惊人的成绩时：他说; “我越发发现我自己有点骄傲了，因为我学会了东方的哲学，是我土木工程创新的源泉。” 在结构概念运用纯熟的如高迪，他已经结构概念发挥到极致。他的教堂就是这样建起来了。德国斯图加特的一个展出上可窥一斑。 杰出的结构，势必源于自然。因为自然比人类更了解结构。德国斯图加特的旗手在领悟自然后创造的杰作。这里给出的目的是睁眼看世界，三十年树状结构在德国已经完美实现的结构，我们某些知名大学的知名教授居然要因此结构申请专利基金。更有甚至者，某知名教授，将某些结构，我知道在德国已经有二十年了，申请中国专利，甚至到世界上评估无形资产价值数千万美元。这就把概念的作用无限大了！不是宽宏大量的结构工程师所为。从自然的角度看，近代空间结构大师 （沈院士称呼为始祖）Frei otto的慕尼黑体育场可谓经典中的经典。基本可以发现Frei otto横跨几个学科，对自然的领悟到了极致。他的继承者schlaich同样是结构概念设计的旗帜，中文的：轻远德国约格施莱希和鲁道夫贝格曼的轻型结构，中文在国内可以看到。其它的一些结构概念的文献（很难在市面上见到，核心之一IASS会议，其中一个分会案例之一就是结构形态与概念，通常根本无法获得一手资料，因为没有文字记录）只能通过我们能够接触到的老师（如蓝天教授等） 那里获得一些资料，如果要进一步进取求知，恐怕需要花费不少金钱和精力了。有时候总是想，如果放下所有的世俗，那我一定去做自己喜欢的事情，到大师的所在地长期学习，领悟，这就是我现在的唯一奢望了。斯图加特梦想飞扬的地方！水立方结构立面的灵感来源于Kelvin的“泡沫”理论，理论物理学杰作，事情还得从1887年说起（9年后，首届现代奥运会在雅典举行）。当年，维多利亚时代著名的物理学家凯尔文爵士曾苦苦思索一个问题：怎样才能以最经济的办法把空间分隔成大小相同的单元，并且让这些单元的共用面积达到最小？凯尔文提出了一种办法，把这些单元做成14边体。在此后的100多年里，凯尔文设计的结构一直是最有效率的空间划分方式。到了1993年，丹尼斯韦尔和罗伯特费伦用一种称作“表面设计师”的计算机程序找到了解决这个问题的新方法：让34的单元为14边体，其余单元则为12边体；所有单元的容积都相同。这种方式比凯尔文提出的分割法节省了03的面积。 10年后，韦尔和费伦创下的纪录仍然没有被打破，而耗资6000万英镑的国家游泳中心也将在中国的首都建造成形。到2006年完工时，这座场馆（又名“水立方”，Water Cube）将占地7万平方米，可容纳17万观众。整幢游泳馆将为钢结构，以韦尔费伦结构的改进版本为基础，外涂层是一种叫作ETFE（四氟乙烯）的透明特氟隆。这种简洁的结构并非是看上去的杂乱无章，是依据WeariePhelan给出的“无限等体积肥皂泡陈列几何图形学”：肥皂泡是因内外气压不同而形成的一种自然结构，液体表面张力抑制肥皂泡的扩张，由于肥皂泡内的气压对各向都是相等的，因此形成了最小表面积，空中肥皂泡是球形，水平面会是半球形，泡内的压力方向永远与表面垂直，如果气泡基座不是圆形，它会自动形成一个最符合泡内、外压力平衡及最小表面积的形状。如果两个肥皂泡靠在一起，中间自然形成120度的隔膜，至于隔膜之所以为平面，是因为隔膜两方压力相等，而勿论多少个肥皂泡连在一起，它们相接角度势必为120度(丹特，1971年）。a）、大小相等肥皂泡，（b）大小不等肥皂泡，（c）3-4个肥皂泡。由十四面体、十二面体基本单元沿三个正交坐标轴X、Y和Z生成了巨大的空间立方体。将空间立方体进行旋转和切割，切出建筑的外边框和内部使用空间。十四面体、十二面体被切出的边线形成上弦和下弦杆件，切割面之间原有的线即为腹杆。经优化选择旋转角度和切割面，形成最终的结构几何形态。“美丽的建筑不只局限于精确，它们是真正的有机体，是心灵的产物，是利用最好的技术完成的艺术品。”赖特有限元诞生之后，并没有改变原有建筑材料的自然性，以及结构形态。桥梁： 梁，拱，刚架，悬索，斜拉。房屋相对多样，基本形态并没有改变。有限元的诞生：走路的脚，和脚下的路都没有改变，改变的是脚上的鞋子。稍微对历史研究的就知道，世界上的建筑大师无不是对建筑材料的本质属性以及对该材料所能达到的最佳形态的深度理解的基础上获得。杰出的建筑大师的建筑设计本质上讲是对建筑材料本质最佳形态的结构概念设计。如建筑师大师赖特，美国著名建筑评论家保罗戈德伯格（Paul Goldberger）在纪念他逝世二十周年所写的文章中也指出：“可以毫不夸张地说，在他之后，美国还没有别的建筑师可以与他相比。路易斯康，埃罗沙里宁，凯文罗歇，贝聿铭，菲利浦约翰逊都不能与他相比，即使上述这些人加在一起，他们在建筑艺术上所具有的影响，也比不过赖特不寻常的七十二个年头的建筑职业生涯所造成的巨大影响。”1867（1869）年6月8日生于威斯康星州里奇兰森特。（年代不详）在威斯康星大学攻读土木工程，但成绩平平，差3个月毕业时即离校。1888年进入建筑师D.阿特勒和L.沙利文的建筑事务所。赖特曾经表示喜好用钢筋混凝土仿照植物的结构来设计建筑，结构中间是一个树干(trunk)，深埋在地下，每层楼好像足在树干上长出来一样，层层加上，阳光从上至下穿过天窗进入室内，造成自然照明的感觉，日光与月光都有类似的效果。赖特认为一切美感均源于自然，因此比较强调建筑设计应当尊重天然环境，每幢建筑物都应当顺应和表现自然力来实现最佳境界。赖特，曾在日本设计Imperial Hotel，在这座酒店，赖特设计了著名的“船形基础”抗震结构，并且附设了水池，可以成为火灾时的救助设施。帝国饭店在1922年建成，1923年达8.3级的Kanto大地震它基本上把整个东京都毁了，帝国饭店经住了考验并在火海中成为附近人们的一个安全岛。一次机会与美国建筑师大师路易斯康的学生合作设计一个方案，他自豪的讲他是路易斯康的学生，那么看看这位路易斯康到底是何等大师！萨克研究所：1：空腹大梁当时在美国是颇为先进的技术。它有桁架传力明确的特点，又不象桁架那样高，竖杆也承受一定弯矩。更主要的是实验室的繁多管道可以从中穿过，而不需要另外搞设备层吊平顶。2：考虑该地区常有地震，用了一种比较特殊的结构构造:将铅锌包钢板夹于空腹大梁和柱之间，使柱筋有适当的延伸性，这就形成了区别于刚性结点的弹性铰。1965年建成后，拉霍亚发生过一次大地