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关于作者：
网名：水木仁生，真名：王锁君，1968年出生
国家一级注册结构工程师，结构工程硕士
北京蓝图工程设计有限公司土木建筑研究院院长
结构工程副总工程师
作者序言：
这篇文章是我二十多年前在清华大学读硕士时写的一篇自然辩证法课程论文，今天重读，感慨颇多。
二十多年前，我国建筑市场的发展才刚刚开始，设计院逐渐开始从传统事业单位性质向市场机制转变，设计也逐渐从过去的手工计算、绘图模式转向计算软件、CAD时代，从而暴露出一些过去不存在的问题，引起了笔者的担忧。现在看来，当时的担忧大多已成为现实，且有恶化的趋势。设计的智能化、市场化是建筑设计的一大进步，但随之而来的也带来了历史上从未有过的巨大危机，包括设计师自身的问题，更多的是社会问题（当时社会问题还不多，设计还是一个很受尊重的职业，本文主要讨论的是设计师自身的一些问题）。如何利用信息化、智能化、市场化的先进性，同时尽量避免这些不利问题，是笔者写这篇文章的初衷。我个人认为这篇老文章即使今天读起来，仍然意义非凡。 从现在来看，该文章很不成熟，但正因为简单，才显其初衷。
对建筑工程结构设计的几点认识
本文试图运用自然辩证法中关于科技观、科技方法论的观点，树立正确的建筑工程结构设计的认识，寻求有效的设计方法来指导自己的设计实践。
建筑工程设计的任务是在建筑工程实施前，提供工程及其制造、施工过程的全部图纸和技术文件。结构设计就是利用力学的基本原理，应用成熟的技术和工艺措施，在达到建筑结构预定的安全性和使用寿命，满足建筑功能和形式要求的条件下，通过结构工程师的思考，构造出最合理、最经济的结构方案。然后将这种思考的结果转化为技术文件，通过施工图指导工程施工。由于设计是一个再创造的过程，它不仅需要运用知识和规则，还需要创造力和想象力。“工程设计更多的是一门艺术，而不是一门科学。”
结构设计是建筑产品生产全过程的重要环节，统计资料显示，建筑产品结构部分的成本有75-80%是在结构设计阶段决定的。另一方面，错误的结构设计一旦投入使用，将对人们的生命财产安全造成严重后果。由于工程设计人员的思维过程存在缺陷而引起的灾害被称为“思维灾害”。通常，建筑产品在制造和使用过程中产生的问题，一般可以通过一定的措施进行补救和避免；但如果设计本身存在缺陷，则是根本性、全局性的问题，将后患无穷。
构成结构工程设计过程的基本要素是：符合自然规律的力学原理；成熟的技术和工艺措施；将抽象思维成果转化为施工图的手段。
1. 力与美的统一
建筑物或工程设施中承受和传递荷载并起骨架作用的部分称为工程结构。因此，结构设计最基本的依据一定是力学原理。由于人与建筑物处于同一重力环境中，通过长期感性认识的积累，人们必然会对符合力学规律的构件简单、稳定组合产生美感。从技术美学的角度看，优美的人工自然产品一定是技术上合理的，技术上合理的产品一定是美的。美的技术定义是简单合理的构图，是结构上构件简单、稳定、合理的组合。
例如：下面几组图片给人不同的视觉和心理感受。
图1（左）当球受到侧向力时，球会偏离中心位置，并因重力的作用而自动回到原来的位置。因此，球的状态给人一种稳定和安全的感觉。
图1（中）中，小球受到侧向力后，会继续以恒定的速度不停地运动，给人一种不稳定、不安全的感觉。
图 1（右）显示球因一个微小的偶然横向力而加速，给人一种危险的感觉。
图1（左）为一个悬挂部件，其光滑的曲线与部件各截面的抗拉强度完美匹配，恰好等于各截面所承受的重量，充分利用了材料。
图2（中）给人的感觉是线条比较单调，且除了顶部以外，其余截面的材料强度没有得到充分利用。
图2（右）造型比较别扭，违反了力学原理。
图2（左）拱形结构，侧向推力减小了梁的弯矩，是一种受力合理、造型美观的结构形式，如历史上著名的赵州石桥。
图3（中）由于梁端有悬臂部分，减少了梁跨中及柱端的弯矩。此结构形式充分利用了力学知识，且形状简单合理。此结构形式在城市立交桥中应用广泛。
图三（右）虽然是常用的结构形式，但其受力不如图（中）合理，给人的心理感受也不如图（中）美观
好的结构是力与美的完美统一。一个好的结构工程师应该培养自己的力学美感，将结构所蕴含的意象美与结构所遵循的力学规律结合起来，从哲学的角度把握结构设计方案的合理性。力学美的原理也可以作为建筑整体方案的一个非常重要的参考。不符合力学美原理的建筑是经不起时间考验的。前苏联设计的一批鸡腿式建筑，就因为其理论错误，造成了严重的地震灾害。其实这种结构形式并不符合人们的审美感，如图（4）所示，给人一种头重脚轻的感觉。
人们错误地认为结构的周期长会减小地震力，但由于底部较软，在地震力作用下变形过大，使得P---Δ效应增大，导致建筑倒塌。
笔者曾参与设计过一个多层无吊顶开放式办公室，柱距为8.4*8.4，平面图上有两种意见，见下图：
笔者认为右侧次梁方案由于主梁与次梁的空间尺度和数量不同，在视觉上形成了非常优美的韵律感，而左侧方案在空间上单调，且由于次梁位于跨度的中间，给人心理和视觉上的不适感。其实从经济性上来说右侧方案也优于左侧方案。后来经与建筑师协商，最终采用了右侧方案。
2. 力学模型的简化
理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学构成了建筑工程力学的大厦。理论力学着重研究物体机械运动的基本规律，其他三门力学则着重研究结构及其构件的强度、刚度、稳定性、动力响应等。如何将基础力学知识应用到实际结构中呢？首先将实际结构简化为计算模型，称为计算图；然后进行计算。实际结构的建模过程是一个化繁为简、化难为易的科学抽象过程，因此要善于把握主要矛盾，突出主要因素和关系，把那些细小的矛盾和关系放在一边。但结构工程师应充分认识到，再完美的结构模型也与实际结构存在误差，应定性地了解这种误差的方向（偏向安全还是不安全）和程度，以便在使用计算结果时进行适当的调整。 这就要求结构工程师对计算模型的力学原理和所采用的数学分析方法有深刻的理解，掌握建筑物对结构或构件使用功能和安全的要求。例如，设计人员在对单向板和双向板进行加固时，一般采用静力计算手册，求出板跨中处的弯矩，然后布置钢筋。但单向板采用简支法计算（m=1/8ql2），而双向板采用弹性小薄板理论的假设，所采用的弯矩为板跨中处的弯矩（双向板的弯矩分布呈锅底状）。因此，双向板的计算理论较为保守，加固双向板时不应人为地增加配筋，甚至可以在跨度边缘处减少配筋。
由于结构设计的复杂性，一些实际结构很难用较精确的计算模型进行简化，或模型的使用受到限制。建筑地基模型的简化就是一个明显的例子。例如钢结构楼板构造详图，连续基础的计算，根据不同的地基条件，可以简化为Winkler地基模型、半空间地基模型、压缩层地基模型等。Winkler地基模型有其独特的适用性，例如，湖面冻结的浮冰的应力状态就刚好满足Winkler假设。因此，对于力学状态与水相似的地基(如粉土、软粘土等)，采用Winkler模型更为合适。在没有研究简化模型的力学原理和适用范围、不了解结构的实际应力状态的情况下，简单地套用模型是错误的，这样的计算结果往往使设计人员在不知不觉中产生错误的结果。
结构设计工程师也应充分认识到由于实际结构与计算模型的差异，计算结果不能作为设计的唯一依据，应凭借对结构设计的全面理解，运用概念设计的方法把握工程项目的整体设计，使结构设计真正成为一门艺术，而不仅仅是数值计算。
3.建筑结构设计的技术性
建筑工程设计与施工与其说是一门科学，倒不如说是一门技术。技术是为了满足社会需要、利用自然规律，在改造和控制自然的实践中创造出来的劳动手段、工艺方法和技能体系。因此，建筑技术必须遵循和运用自然规律，任何违背自然规律的技术都是不可能实现的。建筑技术还具有社会属性，必然受到社会条件的制约。结构工程师在构建建筑思维模型时，必须以能够实现的、符合社会条件的建筑技术为基础。由于结构设计只是建筑施工前期的思维和创造过程，因此结构工程师应熟悉建筑施工的劳动手段、工艺方法和技能体系，以便将前期设计与后期施工联系起来。例如，从理论上讲，如果钢筋按照混凝土梁的拉应力轨迹配置，受力是最合理、最经济的，但施工很难实现，也没有必要。
施工工艺与材料很大程度上决定了结构的结构设计方法。结构工程师不仅要熟悉不同施工工艺与材料的计算公式，还要了解其受力机理。与钢结构相比，钢筋混凝土并非弹性均匀材料，其受力理论并不十分明确。试图追求“100%计算准确率”无疑是浪费时间。
与其他技术一样，建筑施工技术也在不断向前发展，结构设计工程师不应只受建筑技术和材料的制约，而应成为建筑技术发展最活跃的因素之一。历史上每一次新技术、新工艺的变革往往都是由结构设计工程师首先提出，并与建筑制造工程师共同研究实践而得。预应力混凝土结构、钢与混凝土组合结构等技术和工艺，都是结构工程师在长期的工程设计实践中，充分利用钢材和混凝土材料的不同特性而开发出来的新技术、新工艺。正是因为结构设计工程师的智慧，才推动了建筑行业的发展。结构工程师的不断追求和探索，才使得一些大型、复杂、美观的新建筑得以实现。一些宏伟的跨海大桥、上海的东方明珠电视塔、悉尼歌剧院等伟大的建筑，不仅让建筑师的名字成为这些凝固乐章的音符，也为结构工程师树立了一座不朽的丰碑。
4. 建筑结构设计的表达方法（即如何绘制-作者注）
施工图是设计工程师与建筑厂商沟通的语言，文章强调“文字简单，逻辑全面”，亚里士多德的名言是“要像智者一样探索和分析问题，但要用最简单、最通俗的语言表达其意义”。由于施工图是技术语言，所以必须按照制图标准进行表达。此外，结构工程师应追求用最简单的线条表达最清晰、最方便施工的设计内容。建筑施工图的表达可以认为是比较写实的，即把建筑的实际内容按照视图、比例画在图纸上，复杂的部分则局部放大。在CAD制图应用的今天，成熟的建筑师在图纸表达上已经没有太大差别了。而结构施工图的表达则是把建筑中的一些结构构件抽取出来，组合起来，再根据不同构件的特点进行肢解的过程。所以，结构施工图的表达体现了一个结构工程师的逻辑思维能力，这也是结构施工图千差万别的原因。 结构工程师应锻炼逻辑思维能力，用逻辑性强、简明扼要、图文并茂的语言表达自己的想法。结构制图平面总体表示方法（96G101）摒弃了传统的框架结构梁、柱的详细绘制方法，采用平面配筋并结合标准结构节点的表示方法，将结构工程师从繁琐的绘图中解放出来，提高了工作效率。但其对剪力墙、隐柱等的表示方法过于繁琐，有些过于形式化，结构工程师应有选择性地采用，寻求更有效、更简洁、更实用的表示方法。
5. 建筑结构设计的系统方法
结构设计是建筑工程技术大系统（包括建筑设计、结构设计、给排水电气设计、建筑制造技术）的一个子系统。结构工程师应与建筑师、设备电气工程师、建筑制造工程师等紧密配合，运用技术系统理论的方法（如系统分析、反馈控制、系统规划等），掌握系统方法的一些原理（如整体性原理、最优化原理等）来处理具体的工程设计。
影响结构设计的因素非常复杂，所以结构设计的过程其实就是一个发现和解决矛盾的过程，抓住影响系统的主要因素，抛开次要因素。如何发现主要因素呢？
我们可以借鉴数学中求多元函数偏导数的问题，设其他变量为常数钢结构楼板构造详图，求函数关于某一自变量的变化率。（设y=f(x1,x2,…xk…xn)，若，则xk（1≦k≦n）为函数中各变量中最重要的变量）。这种方法其实是经济学中寻找关键因素的常用方法。当然，实际工程设计或经济问题很难简化成数学模型，这只是一种思考问题的方法。例如，在低压缩性地基、箱型基础或剪力墙体系的上部结构、12层以上的框架或框剪结构的箱型基础，由于基础或上部结构刚度较大，箱型基础整体弯曲产生的弯矩很小，可以视为次要因素而忽略。计算时只考虑局部弯曲，施工时只考虑整体弯曲的影响。
6.计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计将结构设计人员从繁琐单调的计算中解放出来，采用计算精度非常高的计算方法（如有限元、墙体单元等），从而可以实现大型复杂高精度的结构设计。但计算机始终只是手段，在这个人机系统中，人无疑是主体，只有使用者正确掌握各种计算参数的意义，理解计算原理，计算机才能成为可用的工具，否则就可能成为错误设计的根源。例如实际工程中，由于框架梁在竖向荷载作用下，支座弯矩较大，为考虑梁的塑性内力重分布，需将梁端负弯矩乘以调幅系数。TBSA程序对所有框架梁都乘以负弯矩调幅系数。如果忽略这一点，悬臂梁配筋将严重不足，因此应按程序要求将悬臂梁设置为不放大，或手动调整悬臂梁配筋。
7.建筑结构设计的人性化
20世纪60年代在欧美兴起的工程设计方法论“人本主义”，强调设计师有服务社会的道德责任，应该让设计对象的使用者（现甲方——作者注）参与到设计过程中。对于一般的民用建筑，使用者往往关心的是建筑在结构方面的安全性和经济性。但由于结构专业的特点，一般使用者并不了解结构设计的基本原理，导致结构工程师很难与用户进行交流。结果，用户往往存在盲目或不信任的心态（目前的情况如何？——作者注）。结构工程师应该真正站在用户的立场上，了解用户的真实意图，并善于普及专业语言，耐心地与用户沟通，而不是一般地把用户当成“外行”。比如有的用户认为结构抗震设计是浪费，如果将来不发生地震，就是浪费钱，或者即使发生地震，也无人能幸免。 其实，建筑抗震设计就像买保险，这些投入都是必须的。国家标准关于抗震设计的规定也是根据我国不同地区发生地震灾害的可能性、地震破坏后果的严重程度、经济实力等因素量身定制的。这就好比一个人根据自己的健康状况、年龄、家庭经济状况来决定购买人寿保险的金额一样。这个解释对于大多数用户来说，一般都能理解。（作者注：在我的一篇文章《我对施工图审查的看法》中，我提到抗震也是从另一个角度的保险。有同事留言问我这是什么意思，此段算是回复。）
笔者曾参与一栋多层砖混结构住宅楼的设计，开发商坚持楼层采用空心板结构。笔者没有盲目接受开发商的要求，而是向开发商询问坚持使用空心板的目的。当得知开发商有经济方面的考虑时，我为开发商比较了两种方案的优缺点：空心板具有工期短的优势，但由于材料成本、人工成本随经济的发展而变化，现浇板造价比空心板低，而且现浇板的整体性和防水性能都比空心板好。后来，开发商欣然接受了使用现浇板方案的建议，并对我们的结构设计给予了很好的评价。结构设计工程师需要走出神秘的花园，本着“以人为本”的设计宗旨，与建筑师、设备、电气工程师一起肩负起社会赋予的神圣责任。
参考文献：《自然辩证法导论》，高等教育出版社
勘察设计硕士、代码编辑
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