上期文章《結構工程師升值之一（向硅藻大師學習）》中，我們見識了單細胞硅藻的神奇結構，了解到大自然“超級計算機”決定了硅藻的驚人外殼。建筑結構設計的精細程度由當前算力決定，算力提高將顯著推動結構專業(yè)技術進步，而持續(xù)的技術進步才能保證結構工程師的價值和地位。本期文章我們討論一下如何在算力的持續(xù)發(fā)展中保持專業(yè)技術進步？
《西游記》第五十回“情亂性從因愛欲 神昏心動遇魔頭”中寫道:
行者轉身欲行，卻又回來道：“師父，我知你沒甚坐性，我與你個安身法兒?！奔慈〗鸸堪簦狭艘换?，將那平地下周圍畫了一道圈子，請?zhí)粕谥虚g，著八戒沙僧侍立左右，把馬與行李都放在近身，對唐僧合掌道：“老孫畫的這圈，強似那銅墻鐵壁，憑他甚么虎豹狼蟲，妖魔鬼怪，俱莫敢近。但只不許你們走出圈外，只在中間穩(wěn)坐，保你無虞；但若出了圈兒，定遭毒手。千萬千萬！至囑至囑！”三藏依言，師徒俱端然坐下。
孫悟空給唐僧畫地為牢的故事很有趣，深入思考這段故事也會有所感悟：
“舒適圈”是把雙刃劍，既保證了安全，
也限制了成長。我們在工作和生活中不也經(jīng)常這樣嗎？圈里的“自在”很舒服，圈外的“自由”很艱苦，我們該選擇哪個？
前提假定就是結構專業(yè)技術進步的“圈”，前提假定既是好朋友，曾經(jīng)幫助過我們，但也可能成為“牢籠”，阻礙技術進步。來看幾個例子：
（1）剛性樓板假定
我們曾用四期文章討論過剛性樓板假定，大致概況一下：
① 采用剛性樓板假定是為提高建筑結構的計算效率，設計時采用“梁剛度放大”等方式應對剛性樓板假定潛在問題并不足夠，且會衍生出新問題，問題挺大且仍被普遍忽視；
② 增大柱彎矩和配筋的“強柱弱梁”設計調整方法未顯著提高柱剛度，也難以避免柱鉸形成，這種普遍的認知偏差源于剛性樓板假定誤導，“弱柱強樓蓋”才是普遍客觀的震害現(xiàn)象；
③ 大量現(xiàn)有建筑結構試驗未正確考慮樓板作用，單榀（單片）試驗時若忽略樓板作用即為默認采用了剛性樓板假定，其試驗結果可能誤導科學認知，科研成果的工程實用價值也會因此打折；
④ 改進剛性樓板假定的最佳路徑是徹底取消它，算力的進步早已具備徹底取消剛性樓板假定的技術基礎，但由于專業(yè)習慣和技術更新緩慢，我們仍然在普遍采用剛性樓板假定，甚至已經(jīng)意識不到其潛在問題。
（2）粘滯阻尼假定
式中：
（摘自《結構動力學》Chopra）
在建筑結構中，粘滯阻尼就是個假定。這個觀點恐怕在目前的研究生教學中也鮮有提及，上面的結構動力學方程實在是太“優(yōu)美”和“經(jīng)典”了，美的誰要質疑它都會讓人難以接受。我們曾用四期文章討論過粘滯阻尼假定，重復備忘一下結論：
① 粘滯阻尼是建筑結構中的人為假定，而非科學事實，引入粘滯阻尼假定是為方便實現(xiàn)系統(tǒng)能量耗散的統(tǒng)一表達，進而繼續(xù)引入線彈性假定以方便結構動力學方程的簡潔列式和高效求解；
② 現(xiàn)行標準規(guī)范中阻尼比的取值多樣而散亂，阻尼比取值在1%~8%之間變化，考慮影響因素眾多；
③ 建筑結構的實測阻尼比隨外界作用變化顯著，且阻尼比與外界作用不呈簡單線性關系，阻尼比對設計地震作用影響顯著，實測小震阻尼比一般不超過2%，設計阻尼比采用了中震對應的5%，二者最大地震作用相差27%；
（3）線彈性假定
（摘自《結構動力學》Chopra）
線彈性假定是建筑結構中最普遍采用的基本假定，給我們帶來的益處很大，產(chǎn)生的問題也很突出。對線彈性假定的每一次突破，都會帶來顯著的技術進步。我們也曾用幾期文章討論過線彈性假定，簡單總結如下：
① 世界是非線性的（包括建筑結構），而我們的思維以線性化為基礎；
② 微積分的偉大之處在于可以讓非線性問題實現(xiàn)線性化求解；
③ 在算力不足的年代，線彈性假定幫助我們粗糙認知建筑結構；在算力充足的年代，我們可以更加準確地了解建筑結構性能，實現(xiàn)精細化的建筑結構分析與設計；
④ 當前算力已經(jīng)比較充足，但我們仍然習慣于線彈性假定的舒適圈，這已很大程度上制約了結構專業(yè)的技術進步，值得深入思考和有所行動。
舉兩個例子說明：
（1）鋼結構穩(wěn)定設計
我們曾用四期文章討論過鋼結構穩(wěn)定問題，結論如下：
① 通過靜力法、動力法或變分法，對應求解常微分方程、偏微分方程或積分方程，均可得到如下簡單而優(yōu)美的歐拉穩(wěn)定公式：
② 《鋼結構設計標準》GB 50017-2017第8.2.1條規(guī)定了實腹式壓彎構件穩(wěn)定性計算方法，計算公式不漂亮但比較可靠，因它依靠算力提前給出了計算長度系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)設計表格，可滿足一般情況下鋼框架構件的設計需要，體現(xiàn)了前輩結構工程師和學者們的智慧；
③ 對于復雜鋼結構，《鋼結構設計標準》GB 50017-2017第5.5節(jié)規(guī)定了直接分析設計法，進一步突破了設計方法中的前提假定，代價是需要算力提供支撐，好處是可滿足復雜鋼結構設計或精細化設計需求。
（2）鋼筋混凝土正截面承載力設計
我們曾用四期文章討論過鋼筋混凝土壓彎構件正截面承載力設計方法，結論如下：
① 鋼筋混凝土壓彎構件正截面承載力設計方法中存在較多前提假定，包括混凝土受壓理想塑性本構假定和隱含的鋼筋受壓不屈曲假定，這些前提假定簡化了設計方法，同時也使得現(xiàn)有設計方法存在適用范圍，一些特殊情況下可能存在隱患；
② 《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2010附錄E給出了任意截面雙偏壓正截面承載力計算方法，該方法依靠算力進步，可實現(xiàn)直接從材料非線性本構出發(fā)進行混凝土構件設計；
③ 鋼筋混凝土結構設計從標準規(guī)范、設計軟件和工程應用等方面對當前算力發(fā)展的適應均存在明顯滯后，鋼筋混凝土結構設計方法存在較大進步空間，值得我們共同努力去推動。
（1）建筑結構的分析設計方法中普遍存在前提假定，前提假定由算力決定，限定了分析設計方法的適用范圍與準確性；
（2）當前標準規(guī)范、設計軟件與工程應用中，存在較多明顯滯后于算力發(fā)展的前提假定，阻礙了結構專業(yè)的技術進步；
（3）突破前提假定的束縛，將顯著推動結構技術進步，也將持續(xù)提升結構工程師的價值與地位。
下期文章我們給標準規(guī)范的進步提點建議。
