对建筑结构设计的反思

对建筑结构设计的反思摘要：不可否认，借助电脑的帮助，我们设计师的效率获得了惊人的提高，设计周期大大的缩短，但是电脑是否可以替代人脑，着值得我们对建筑结构设计意义的思考。关键词：人工智能；结构计算模型；结构感中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：近十多年来，随着电脑的普及、人工智能和电脑软件的飞速发展，人类社会的生产方式和生活方式正发生着巨大的变化，很多领域的社会生产率得到了空前、大幅的提高。建筑结构设计领域亦如此，那些既有有手工设计绘图经历又有电脑设计绘图经历的结构设计师，一定更能更能深刻理解和感受到电脑对设计师的巨大的解放和促进作用。一、电脑不能取代人脑不可否认，借助电脑的帮助，我们设计师的效率获得了惊人的提高，设计周期大大的缩短。近几年，随着中国城市化建设的热潮，越来越多的人涌入房屋设计行业，设计行业的技术门槛似乎变得越来越低。有些人甚至认为，结构设计没什么，只要有电脑和软件就能解决结构工程问题，非常简单，几乎用不着大脑。电脑似乎可以解决所有问题，而且，确实，很多懒惰的结构设计师的确是这么做的。他们的设计过程通常是这样的：建立结构计算模型，然后选择计算软件下拉菜单进行计算，接着查看计算结果，看看轴压比、配筋、位移比等等是否满足要求（甚至有些设计师再简化一点，看看计算结果里是否有红色显示，没有即可以），满足了，就进入下一步绘图阶段了。而且设计绘图，在这些结构设计师看来似乎也是那么容易，如果计算采用的是中国建筑科学研究院开发的PKPM软件计算的话，只需转入PKPM后处理程序，轻点鼠标或选择下拉菜单，按几下回车键，施工图纸就跃然纸上（其实是电脑上），然后输出打印，一切可以!一个工程设计完成!这一切看起来是多么的轻松!原来设计可以这样做！整个计算设计直到图形输出过程，几乎没有消耗多少设计师的大脑细胞！从他们的设计过程来看，人的大脑没有起到多大的作用，电脑似乎取代了人脑。可是，结构设计真的能这样吗？电脑能够真正的取代人脑吗？答案显然是否定的。图纸是工程师的语言，表达的是设计者的意图。图纸中的内容反映的是工程师对改工程结构的认识和理解而后形成的图形表达。而对事物的认识和理解最终来源于人脑设计师的大脑。那么，这个缺乏人脑参与的设计图形产品，最终质量如何呢?我们称之为低级粗制品。我们懒惰的结构工程师带着自己的图形产品和电脑输出的计算书，呈现给经验丰富、理论扎实的资深结构工程师进行审图时，经常会发生这种情景：一曰：此处配筋不正常、不合理，为何如此？一曰：彼乃电脑计算结果。悲哉！设计师竟然可以如此依赖电脑。一个没有经过人脑进行雕凿和修饰的工程设计产品注定是先天不足、存在质量缺陷的。电脑只是我们用来进行设计的工具而已，它并不是万能的，它自身并不能代表设计师做出完全正确合理的判断，最终的计算结果是否合理、是否正确，需要结构设计师自身做出判断而后进行设计。不同的简化和假设，计算出来的是不同的。比如，现行计算软件对墙板构件是有一定假定前提条件的，在某种特定结构布置下是不符合计算假定的，这样的电算结果就容易出现问题。举例说明，某工程，顶层水箱下的大梁一端支撑在剪力墙井筒的墙壁上。电算结果，梁的负弯矩很大，需要配很大的支座钢筋。但实际上，支座处墙壁只有300mm厚，翼缘较远，墙壁根本承受不了支座弯矩。而电脑软件则将整体井筒作为一个薄壁构件来计算，刚度很大，所以能承受很大的弯矩，这就是计算模型与实际结构不符。虽然表面上看，计算结果并没有问题，但最后的工程完工后的实际结果将是墙壁出现裂缝转化为铰结，梁的支座钢筋起不了作用，梁的跨中钢筋不够，从而导致梁的破坏，进而导致水箱出现问题。可以看出，如果结构设计师对“正确”的结果什么直觉也没有（无论是因为无知，还是缺乏经验），也就不可能意识到结果的错误。二、电脑替代人脑部分工作电脑人机交互式输入模式的出现，绘图软件、计算软件的不断完善发展，使我们的设计工作越来越简便。结构工程师的工作量主要是两部分，一部分是计算过程，还有部分是绘图过程。对于计算的工作量，由于现在电脑计算软件已经将现行规范中的计算理论纳入其计算校核程序，所以我们结构工程师只需根据建筑设计师提供的建筑平面图、立面图、剖面图及详图，将它进行合理假设、简化，并建立与之对应的恰当、合适的结构计算模型，计算过程电脑会自动进行，同时输出计算结果，并能初步自行检验计算结果是否合理。这样，以前习惯于用小小的计算器，对结构构件一步一步的进行加减乘除计算并逐步记录、保存的巨大工作量一下消失了（由电脑软件自动进行后台处理计算了）。对于第二部分绘图的工作量，由于现在采用的是CAD电脑制图，绘图只需要输入命令或选择下拉菜单就行，相同的图素可以采用复制拷贝，而且纠错非常方便，不留痕迹。这就省去了采用铅笔、丁字尺、橡皮的一根线一个圆逐个绘制并大量重复的手工工作。在解决了计算、绘图的巨大繁冗工作量后，效率的成倍提高是理所当然的了。三、“结构感”概念的提出目前，在结构设计领域，这种把使用计算机的能力当成能胜任工作的观点，正在像传染病一样到处蔓延。在一个个建筑工程设计通过电脑源源不断的输出时，在电脑逐步替代人脑工作的同时，我们设计师的大脑功能却在慢慢退化，特别是缺乏思考、懒惰的结构设计师的大脑的衰退速度更是惊人。我们的设计师的大脑变得如此依赖于电脑，以至于正在迅速丧失不依赖电脑进行计算工作的技能，而这恰恰正是我们结构工程师真正赖以生存的本领。这种情况的出现，有客观因素也有主观原因。有很多时候，设计师同时进行着几个工程设计。在这个速度至上的年代，在业主对经济效益和效率过分追求的压力下，对速度与形式主义的苛求被可怕地置于进步的名义之下，与此同时许多时间却又被浪费在重复的管理环节之上，留给设计师的时间已少之又少。但是，时间少不能成为我们不思考的理由。当初没有时间细细思量或仔细斟琢的某个构件或某个环节，可以抽时间回头重新思考、总结、归类。如果设计过程中因为时间关系来不及弄明白，一知半解、囫囵吞枣的应付过去，事后由于惰性的原因，对不熟悉、不理解的相关原理、规范不去追根究底、弄清原委，结构设计师大脑里的相关知识库怎么能够积累、扩大，技术水平怎么能够提高。长此以往，设计师必将越来越依赖于电脑，设计也将不称之为设计，因为一个主要依赖电脑而没有人脑参与并进行雕凿修饰的设计产品是没有生命力的。人类社会的不断向前发展是建立在对前人的经验、教训不断归纳总结的基础上的，工程结构设计领域同样如此。设计师在刚开始从事工程结构设计工作时，不能过多的依赖电脑，而需要将所学的物理、力学、建筑材料等等知识有选择的运用于实际工程结构设计中，设计过程中还要把和该工程相关的各种规范熟悉、理解并正确运用于该工程结构中，遇到困难想各种办法解决，其间可以用电脑计算来验证当初的预想是否符合。通过各种不同结构类型的工程设计，结构工程师大脑里的知识库得到不断的丰富和补充。日积月累，知识、经验、直觉、悟性有机结合的对工程“认知”的巨大综合体将会形成于结构工程师的大脑里。这种对工程认知的巨大综合体和设计师个体的结合，我们称之为“结构感”，和概念设计有所区别。概念设计有很多文献进行过讨论和论述，并形成了相关的理论描述。我们这里称之的“结构感”是不能用文字来描述的，它是人体与工程认知的结合体，是有别于此的。如同历史上优秀的军事将领，在瞬息万变的战场，他们能做出做出冷静、正确的判断，用兵如神。在几万人或几十万人性命莜关的关键时刻，他们做出正确判断的依据是在历次战斗中形成的超乎常人的军事直觉。同样一个建筑工程，有的结构图纸简单清晰，一目了然；有的图纸繁冗复杂，让人云里雾里，不知表达的什么意图。有的结构图纸经济而安全；有的浪费确不安全。为什么同样一个工程，不同的结构师最终设计出来的图纸会差别这么大呢？因为由于个体的差异，理论知识、设计经验、悟性的不同，结构感不同，对工程的理解和认知就会不同，最后设计出来的图纸自然就不一样了。计算机不可能，而且永远不可能，成为人类知识、经验、灵感、远见、独立思考以及自古以来的勤奋的替代品。四、结语因此，在现代社会要成为一个优秀的结构工程师，任重而道远。由于电脑绘图软件和计算软件的功能日益强大，结构师要使它们成为设计的好帮手，必须了解它，熟悉它，然后熟练运用它，做到知己知彼。设计师如果仅按规范条文、电算结果机械地把施工图画出来，不是一个真正合格的设计师。同时，结构设计师使用结构计算软件时必须有深厚的理论功底，必须有大量的手算积淀，必须在用软件计算前就对可能