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摘 要: 简要介绍了玻璃厂结构设计中的优化途径,通过例举玻璃厂结构设计工作中常见的几个主要关系及刚度理论的简述,说明玻璃厂结构设计中积极主动、全面运用哲学思想对缩短设计周期,提高设计效率,达到设计优化的重要意义。
关键词: 玻璃厂 ; 结构设计 ; 哲学思想;刚度理论
一、玻璃厂结构设计的优化途径
在玻璃厂设计中,结构部分在玻璃厂总体造价所占比例一般不超30%;但是我们一谈起玻璃厂的结构设计,往往第一反应是“结构设计是否安全”,可见“安全”在玻璃厂结构设计中的重要性。
必须强调的是,保证结构安全是对结构设计的最基本、最起码要求,对于一项工程的结构设计来说,除“保证安全”这一基本要求外,还有其它许多内涵丰富的要求。也就是通常所说的,结构设计做到安全只是初级阶段的“行”,还要同时满足其它方面的要求,才算达到较高境界的“好”。“行”与“好”是两个不同层次的概念,“行”是入门,“好”是登堂入室;“行”仅仅是停留在点上的满足要求,“好”是要兼顾到许多面上的满足要求。下图最上及左右共三个圆圈的标注即是对结构设计全面要求的概括。这是玻璃厂结构设计必须优化和优化目标的最精炼图解示意。
为了使玻璃厂房结构设计做到比较完美,满足结构设计的优化要求,结构设计优化途径的核心内容通常包括以下三个方面:“体系选型与结构布置是否合理、结构计算与内力分析要正确、细部设计与构造措施要周密①”。此三方面的工作互为呼应,缺一不可,上图左侧的内圈简明扼要地列出结构设计的优化途径。每一个结构工程师在承担一个项目后,在进行计算和绘图前需要解决一系列有关方案和构造的问题,以达到设计的最优化。
二、 玻璃厂结构设计工作中哲学思想的运用
要让自己成为一名优秀的结构工程师,除了必须具有扎实且广泛的理论基础、丰富的现场实践经验和对事业的持着追求外,还要养成正确的、科学的及良好的思维方法和分析能力。思维方法和分析能力都属于哲学范畴。一个玻璃厂房从筹划到建成,要兼顾到方方面面的关系;整个工程实施过程都充满着矛盾,而且矛盾是交错复杂的。矛盾既来自各个专业的碰撞穿插,更来自结构本专业内部需要协调、需要妥善解决的各种技术难题。要将一个玻璃厂区设计成,设计好,结构工程师肯定要运用哲学思想并将其贯穿于整个结构设计过程中,前后达到矛盾的统一。事实上每位结构工程师在进行结构设计时,在一定程度上都在运用哲学思想,区别仅在于无意识运用与有意识运用,局部运用还是全面运用。下面将列举玻璃厂设计过程中的几个主要的关系以说明哲学思想在结构设计中的运用。
1、简单化与复杂化的关系。
玻璃厂房由于工艺设备要求多功能的使用,仅此一条有时使结构变得挺复杂:柱网间距不同,框架梁未必贯通、上下结构体系不同(如上面是框架上面是筒仓)、出现跨层柱或错层楼层、抽柱大空间、不同结构体系之间的连接、构件之间不同的连接等。结构设计时不可能将如此错综复杂的结构构件的受力传力及其产生的变形和内力百分之一百、准确无误地反映出来。设计工作通常采取将复杂问题简单化,比如计算中构件边界条件的假定、计算模型的假定,都是将复杂问题简单化的典型例子。再如推广结构新技术,科学的做法应建立在需要、合理、适用、经济的前提下应用新技术,而不是单纯为推广新技术而滥用新技术。那种简单、易做、合适、切实可行的结构体系不用,反而人为地把结构复杂化的做法,显然是违反设计工作的正常运作的。
2、原则性与灵活性的关系。
结构设计是有设计原则的,原则性的问题通常不可违反,但在某特定条件下也不是一成不变的,有时可以采取有效的变通办法。即使规范条文也可以在理解其精髓之后加以灵活运用。比如关于抗震结构中的轴压比问题。通常有这种情况,整个厂房的绝大部分柱段的轴压比都基本保持一致且符合规范要求,仅其中一二根柱段略为超出,如何办?若将这个别的柱段截面加大则会影响整体的装修或工艺使用要求;若提高此柱段的混凝土强度等级以保持截面不变则可能引起施工不便或造成施工混乱而出错。灵活的处理方法是维持截面统一不变,增加其箍筋配箍率或采用螺旋箍筋形式以提高其延性;或者通过调整楼面结构布置,使该柱卸载,满足轴压比要求。这就是灵活处理原则性问题的一个例子。
3、定性控制与定量计算的关系。
定性控制与定量计算的关系就是结构概念设计与数据计算的关系。概念设计是对一个建筑物的划分,把一个复杂未知的问题从不同的角度去分析、衡量,把未知的、模糊的问题转化成已知的、具体的问题。概念设计是以定量计算为基础,定量计算是在概念设计指导下进行的。比如抗震设计中的原料车间的设计,其结构的长宽比例、高宽比例、平面及立面是否对称均衡等都是定性控制的内容。仅进行定性的控制当然不够,结构设计还必须进行定量计算;由具体计算数据反映整个结构体系的布置是否合理、构件的变形和内力是否正常,并以此作为构件配筋的主要依据;以保证在结构体系布置合理的前提下,达到结构构件安全的设计目的。定性控制与定量计算两者互相验证,同样的必要和重要。
4、主要矛盾和次要矛盾的关系。
“在复杂的事物的发展过程中,有许多的矛盾存在,其中必有一种是主要的矛盾,由于它的存在和发展,规定或影响着其它矛盾的存在和发展。③”结构或构件的受力状态、变形能力、内力性质及大小都不同,构件之间以及构件本身都存在主要矛盾和次要矛盾。结构设计时必须抓住主要矛盾、重视主要矛盾、解决主要矛盾,而不能与其相反。例如:玻璃厂钢筋砼结构中的框架梁、框架柱相对次梁、楼板是主要矛盾;熔化窑底砼柱相对上部设备其承载能力的安全性是主要矛盾;熔化大底坑地板基础中的抗浮、抗冲切相对抗弯是主要矛盾;原料车间筒仓的抗剪切相对于抗弯是主要矛盾。在设计中主要矛盾要先于次要矛盾解决,次要矛盾要解决,主要矛盾更要解决好。
5、内力控制与构造保障的关系。
在缺的构件截面合理的合理尺寸后,其所需配筋量可能由内力控制,也可能只需要构造配筋,前者的配筋率ρ>ρmin, 后者的配筋率ρ≈ρmin。在配筋率要给予满足外,配筋的其它构造要求:如钢筋直径根数的选配、间距的确定、配筋的型式等,都必须按有关规范要求给予保障;设计时既要考虑设计的的内力控制又要考虑现场实施的可行性和合理性;二者缺一不可,否则就不是合格合理、完美完善的设计。
6、内在因素与外部条件的关系。
“唯物辩证法认为外因是变化的条件,内因是变化的根据,外因通过内因而起作用②”。同样,结构的外部荷载必须通过结构内部的相对刚度来实现的,另外在结构构件中的力是以最短途径传递的,这些都是外部荷载条件与结构内在因素之间的客观关系。设计中必须遵循这种关系来处理和看待力在结构中的传递关系,我们不能主观臆断地决定这个构件支撑那个构件上或者让力迂回传递,因为这是违反自然规律的。
7、宏观选择与微观选择的关系。
宏观选择与微观选择的关系是整体与局部的关系。合适的结构体系、合理的结构布置、恰当的构件截面尺寸,这是构件宏观选择的内容;构件的配筋大小、构件之间的连接构造等,这些是构件微观设计。对于结构设计者来说,宏观选择是重要的,微观设计也是重要的,所不同的是,前者的选择影响到全局,后者的选择只涉及局部。
8、本质问题与表面现象的关系。
透过事物的表面现象看到问题的本质,这是看待事物和处理问题的一种科学方法。结构设计时也必须运用这一科学方法,否则,只看到表面现象而没有认清本质问题,就会得出错误的结论,进而作出错误的决策。比如对于玻璃厂房中的原料车间的结构稳定来说,原料车间的建筑高度是一种“表面现象”,而其“本质问题”是高宽比。假设一原料车间的总高度是35m,其高宽比H/B=4.5,另一原料车间的总高度为45m,其高宽比H/B=4.0,以结构稳定性而论,后一原料车间的稳定性明显优于前一原料车间。
9、理想与现实的关系。
单独以结构专业而论,任何一位结构工程师都希望玻璃厂房的体型在平面和立面的布置是规则、对称的,建筑质量分布和刚度变化是均匀的等等。这是一种结构理想化的自我愿望。现实的玻璃厂房的设计,由于不同种工艺专业的不同的要求,使玻璃厂使用功能的多样化和复杂化,往往使得结构在满足理想化的要求上大打折扣;结构设计必须从理想境界中回到现实中来。应该说,建筑设计的任何一专业都要本专业的设计达到100%完美合理的程度是不现实的,事实上也是不可能的。实际操作中,某一专业的设计在许多时候都要作出一定让步以服从全局及整体上的需要。一个玻璃厂的工程设计,如果各专业都在85分以上,那么,这显然要比某以专业是100分,而其中有的专业只有50分要强要好;因前者的设计,各专业作了协调统一,而后者很可能是以牺牲其中某一专业的合理设计为代价而换取自身专业达到所谓理想境地的。
三、 刚度理论在结构设计中的重要作用
在结构设计过程中的结构布置(包括竖向构件布置和水平构件布置)和结构计算分析(包括计算假定和构件内力分析)阶段,一般设计人员比较关注的荷载的产生及其数值大小,即比较注重“力”的概念而往往会忽略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”概念。事实上,结构中的力的平衡、变形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。换言之,属于结构的外部因素的“力”-楼层作用荷载、风力、温度、地震作用以及建筑物的自重等结构的内部作用、传递以及所引起的结构反应都要通过属于结构内部因素的“刚度”来完成。既为内部因素,从哲学的观点来说,它比起外部因素当然更是事物的本质所在。作为结构设计者,主动重视、透彻理解结构刚度理论,尤其是相对刚度理论并在结构设计中加以科学的运用,从高层次、高要求的角度看就显得十分必要和重要,它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的作用下,受力合理并获得最佳的经济效益。前者是对结构设计的最基本的要求,当然也是最重要的要求,而后者则是对结构设计的更高更全面的要求,也即是结构优化设计始终目标和内容。此外,对结构设计工作来说,运用刚度理论可进行整体结构的宏观控制,定性且定量,准确有效简捷方便,有利于缩短设计周期,节省人力和时间,提高设计效率。
注释:
1. ① 张元坤、李盛勇 《建筑结构设计使用指南》(“新世纪广东省首届建筑结构技术交流大会”技术资料,广东省土木建筑学会建筑结构学术委员会).
2. ②毛泽东《毛泽东选集》1968年10月版中的第一卷中《矛盾论》中的“两种宇宙观”章节.
3. ③同②见《矛盾论》中的“主要的矛盾和主要的矛盾方面”章节.
关键词: 玻璃厂 ; 结构设计 ; 哲学思想;刚度理论
一、玻璃厂结构设计的优化途径
在玻璃厂设计中,结构部分在玻璃厂总体造价所占比例一般不超30%;但是我们一谈起玻璃厂的结构设计,往往第一反应是“结构设计是否安全”,可见“安全”在玻璃厂结构设计中的重要性。
必须强调的是,保证结构安全是对结构设计的最基本、最起码要求,对于一项工程的结构设计来说,除“保证安全”这一基本要求外,还有其它许多内涵丰富的要求。也就是通常所说的,结构设计做到安全只是初级阶段的“行”,还要同时满足其它方面的要求,才算达到较高境界的“好”。“行”与“好”是两个不同层次的概念,“行”是入门,“好”是登堂入室;“行”仅仅是停留在点上的满足要求,“好”是要兼顾到许多面上的满足要求。下图最上及左右共三个圆圈的标注即是对结构设计全面要求的概括。这是玻璃厂结构设计必须优化和优化目标的最精炼图解示意。
为了使玻璃厂房结构设计做到比较完美,满足结构设计的优化要求,结构设计优化途径的核心内容通常包括以下三个方面:“体系选型与结构布置是否合理、结构计算与内力分析要正确、细部设计与构造措施要周密①”。此三方面的工作互为呼应,缺一不可,上图左侧的内圈简明扼要地列出结构设计的优化途径。每一个结构工程师在承担一个项目后,在进行计算和绘图前需要解决一系列有关方案和构造的问题,以达到设计的最优化。
二、 玻璃厂结构设计工作中哲学思想的运用
要让自己成为一名优秀的结构工程师,除了必须具有扎实且广泛的理论基础、丰富的现场实践经验和对事业的持着追求外,还要养成正确的、科学的及良好的思维方法和分析能力。思维方法和分析能力都属于哲学范畴。一个玻璃厂房从筹划到建成,要兼顾到方方面面的关系;整个工程实施过程都充满着矛盾,而且矛盾是交错复杂的。矛盾既来自各个专业的碰撞穿插,更来自结构本专业内部需要协调、需要妥善解决的各种技术难题。要将一个玻璃厂区设计成,设计好,结构工程师肯定要运用哲学思想并将其贯穿于整个结构设计过程中,前后达到矛盾的统一。事实上每位结构工程师在进行结构设计时,在一定程度上都在运用哲学思想,区别仅在于无意识运用与有意识运用,局部运用还是全面运用。下面将列举玻璃厂设计过程中的几个主要的关系以说明哲学思想在结构设计中的运用。
1、简单化与复杂化的关系。
玻璃厂房由于工艺设备要求多功能的使用,仅此一条有时使结构变得挺复杂:柱网间距不同,框架梁未必贯通、上下结构体系不同(如上面是框架上面是筒仓)、出现跨层柱或错层楼层、抽柱大空间、不同结构体系之间的连接、构件之间不同的连接等。结构设计时不可能将如此错综复杂的结构构件的受力传力及其产生的变形和内力百分之一百、准确无误地反映出来。设计工作通常采取将复杂问题简单化,比如计算中构件边界条件的假定、计算模型的假定,都是将复杂问题简单化的典型例子。再如推广结构新技术,科学的做法应建立在需要、合理、适用、经济的前提下应用新技术,而不是单纯为推广新技术而滥用新技术。那种简单、易做、合适、切实可行的结构体系不用,反而人为地把结构复杂化的做法,显然是违反设计工作的正常运作的。
2、原则性与灵活性的关系。
结构设计是有设计原则的,原则性的问题通常不可违反,但在某特定条件下也不是一成不变的,有时可以采取有效的变通办法。即使规范条文也可以在理解其精髓之后加以灵活运用。比如关于抗震结构中的轴压比问题。通常有这种情况,整个厂房的绝大部分柱段的轴压比都基本保持一致且符合规范要求,仅其中一二根柱段略为超出,如何办?若将这个别的柱段截面加大则会影响整体的装修或工艺使用要求;若提高此柱段的混凝土强度等级以保持截面不变则可能引起施工不便或造成施工混乱而出错。灵活的处理方法是维持截面统一不变,增加其箍筋配箍率或采用螺旋箍筋形式以提高其延性;或者通过调整楼面结构布置,使该柱卸载,满足轴压比要求。这就是灵活处理原则性问题的一个例子。
3、定性控制与定量计算的关系。
定性控制与定量计算的关系就是结构概念设计与数据计算的关系。概念设计是对一个建筑物的划分,把一个复杂未知的问题从不同的角度去分析、衡量,把未知的、模糊的问题转化成已知的、具体的问题。概念设计是以定量计算为基础,定量计算是在概念设计指导下进行的。比如抗震设计中的原料车间的设计,其结构的长宽比例、高宽比例、平面及立面是否对称均衡等都是定性控制的内容。仅进行定性的控制当然不够,结构设计还必须进行定量计算;由具体计算数据反映整个结构体系的布置是否合理、构件的变形和内力是否正常,并以此作为构件配筋的主要依据;以保证在结构体系布置合理的前提下,达到结构构件安全的设计目的。定性控制与定量计算两者互相验证,同样的必要和重要。
4、主要矛盾和次要矛盾的关系。
“在复杂的事物的发展过程中,有许多的矛盾存在,其中必有一种是主要的矛盾,由于它的存在和发展,规定或影响着其它矛盾的存在和发展。③”结构或构件的受力状态、变形能力、内力性质及大小都不同,构件之间以及构件本身都存在主要矛盾和次要矛盾。结构设计时必须抓住主要矛盾、重视主要矛盾、解决主要矛盾,而不能与其相反。例如:玻璃厂钢筋砼结构中的框架梁、框架柱相对次梁、楼板是主要矛盾;熔化窑底砼柱相对上部设备其承载能力的安全性是主要矛盾;熔化大底坑地板基础中的抗浮、抗冲切相对抗弯是主要矛盾;原料车间筒仓的抗剪切相对于抗弯是主要矛盾。在设计中主要矛盾要先于次要矛盾解决,次要矛盾要解决,主要矛盾更要解决好。
5、内力控制与构造保障的关系。
在缺的构件截面合理的合理尺寸后,其所需配筋量可能由内力控制,也可能只需要构造配筋,前者的配筋率ρ>ρmin, 后者的配筋率ρ≈ρmin。在配筋率要给予满足外,配筋的其它构造要求:如钢筋直径根数的选配、间距的确定、配筋的型式等,都必须按有关规范要求给予保障;设计时既要考虑设计的的内力控制又要考虑现场实施的可行性和合理性;二者缺一不可,否则就不是合格合理、完美完善的设计。
6、内在因素与外部条件的关系。
“唯物辩证法认为外因是变化的条件,内因是变化的根据,外因通过内因而起作用②”。同样,结构的外部荷载必须通过结构内部的相对刚度来实现的,另外在结构构件中的力是以最短途径传递的,这些都是外部荷载条件与结构内在因素之间的客观关系。设计中必须遵循这种关系来处理和看待力在结构中的传递关系,我们不能主观臆断地决定这个构件支撑那个构件上或者让力迂回传递,因为这是违反自然规律的。
7、宏观选择与微观选择的关系。
宏观选择与微观选择的关系是整体与局部的关系。合适的结构体系、合理的结构布置、恰当的构件截面尺寸,这是构件宏观选择的内容;构件的配筋大小、构件之间的连接构造等,这些是构件微观设计。对于结构设计者来说,宏观选择是重要的,微观设计也是重要的,所不同的是,前者的选择影响到全局,后者的选择只涉及局部。
8、本质问题与表面现象的关系。
透过事物的表面现象看到问题的本质,这是看待事物和处理问题的一种科学方法。结构设计时也必须运用这一科学方法,否则,只看到表面现象而没有认清本质问题,就会得出错误的结论,进而作出错误的决策。比如对于玻璃厂房中的原料车间的结构稳定来说,原料车间的建筑高度是一种“表面现象”,而其“本质问题”是高宽比。假设一原料车间的总高度是35m,其高宽比H/B=4.5,另一原料车间的总高度为45m,其高宽比H/B=4.0,以结构稳定性而论,后一原料车间的稳定性明显优于前一原料车间。
9、理想与现实的关系。
单独以结构专业而论,任何一位结构工程师都希望玻璃厂房的体型在平面和立面的布置是规则、对称的,建筑质量分布和刚度变化是均匀的等等。这是一种结构理想化的自我愿望。现实的玻璃厂房的设计,由于不同种工艺专业的不同的要求,使玻璃厂使用功能的多样化和复杂化,往往使得结构在满足理想化的要求上大打折扣;结构设计必须从理想境界中回到现实中来。应该说,建筑设计的任何一专业都要本专业的设计达到100%完美合理的程度是不现实的,事实上也是不可能的。实际操作中,某一专业的设计在许多时候都要作出一定让步以服从全局及整体上的需要。一个玻璃厂的工程设计,如果各专业都在85分以上,那么,这显然要比某以专业是100分,而其中有的专业只有50分要强要好;因前者的设计,各专业作了协调统一,而后者很可能是以牺牲其中某一专业的合理设计为代价而换取自身专业达到所谓理想境地的。
三、 刚度理论在结构设计中的重要作用
在结构设计过程中的结构布置(包括竖向构件布置和水平构件布置)和结构计算分析(包括计算假定和构件内力分析)阶段,一般设计人员比较关注的荷载的产生及其数值大小,即比较注重“力”的概念而往往会忽略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”概念。事实上,结构中的力的平衡、变形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。换言之,属于结构的外部因素的“力”-楼层作用荷载、风力、温度、地震作用以及建筑物的自重等结构的内部作用、传递以及所引起的结构反应都要通过属于结构内部因素的“刚度”来完成。既为内部因素,从哲学的观点来说,它比起外部因素当然更是事物的本质所在。作为结构设计者,主动重视、透彻理解结构刚度理论,尤其是相对刚度理论并在结构设计中加以科学的运用,从高层次、高要求的角度看就显得十分必要和重要,它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的作用下,受力合理并获得最佳的经济效益。前者是对结构设计的最基本的要求,当然也是最重要的要求,而后者则是对结构设计的更高更全面的要求,也即是结构优化设计始终目标和内容。此外,对结构设计工作来说,运用刚度理论可进行整体结构的宏观控制,定性且定量,准确有效简捷方便,有利于缩短设计周期,节省人力和时间,提高设计效率。
注释:
1. ① 张元坤、李盛勇 《建筑结构设计使用指南》(“新世纪广东省首届建筑结构技术交流大会”技术资料,广东省土木建筑学会建筑结构学术委员会).
2. ②毛泽东《毛泽东选集》1968年10月版中的第一卷中《矛盾论》中的“两种宇宙观”章节.
3. ③同②见《矛盾论》中的“主要的矛盾和主要的矛盾方面”章节.