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謝靖中博士首提建筑結構學科“三段論”

日期:2018/5/24

    佳構公司謝靖中博士參加2017年10月25-28日在合肥市舉辦“第十六屆高層建筑抗震技術交流會”,并做《建筑結構計算精度、可靠性及設計優化》學術報告。在報告中,首次提出建筑結構學科“三段論”的論述。
    這是謝博士多年思索探究結果,基于對結構學科幾乎全領域、大深度的洞悉理解,基于全面了解發展過程、目前狀態、潛在問題和發展趨勢,基于數十年第一線的工程實踐(工程應用、軟件研發),基于對工程界全面接觸(從聲譽卓著的院士、大師、教授,到主任工程師、年輕工程師,到各類積極創新的企業家)。相信隨著時間的推移而被逐步接受,從而推動學科的發展進步。
    主要內容如下。

1、《報告》首先講述了提出“三段論”的背景。
    概率論工程學科的基本概念,被普遍接受。
    但是,近年來,往往概率論的范圍被擴大了。大家經常的說法,“工程問題沒有精確解”,“材料強度、荷載都是近似的,精確計算沒有意義的”,“算這么精確有什么用嗎?工地現場非常復雜,荷載亂堆”,等等。——概率論脫變成不可知論。

2、《報告》提出,結構工程問題,可分為三個部分:
    第1部分:確定材料荷載,——屬于概率論
    第2部分:結構計算——不屬于概率論
    第3部分:工程實施(設計與施工),工程使用(正常使用,風/震異常災害)——屬于概率論
    結構計算可以明確不屬于概率論范疇。對于一個建筑結構,當材料確定、荷載確定,計算得到位移內力,屬于力學范疇。對于給定的結構、材料、荷載,計算結果是唯一的、確定的——無論對錯、誤差多大。對于當前計算的主體——結構軟件而言,即便性能很差,多次計算結果都相同。多次計算、反復計算,偏大或偏小總不改變,這種偏差就不是“隨機”了,不滿足概率論的前提條件。
    為了倡導這種觀點,姑且形象地稱為“三段論”。


3、《報告》概括了不屬于概率論的內容:
   1) 結構位移、內力、支座反力,地基反力、沉降。
   2) 混凝土截面配筋面積,鋼結構截面強度/穩定應力。
   3) 結構自振周期、振型,反應譜內力、位移。
   4) 地震波時程計算內力、位移。
   5) 其他根據給定結構、材料、荷載,通過力學計算得到的物理量。

4、《報告》提到,計算屬于確定論“并不是我們的幸運”。
    計算結果無論對的、錯的,都是確定的,并且會一直錯下去——其危害遠大于屬于隨機的、概率的偏差。算例表明,一些類型的結構,目前情況下計算內力、配筋的偏差,可以達到20~50%,甚至100%,遠超基于概率的工程可靠度所包絡的范圍(施工圖審查容許偏差才5%)。
    基于這種認識,《報告》強調“結構計算的核心作用,是結構計算是工程安全可靠的核心,也是結構學科的核心”。

5、《報告》對于普遍存在的疑問:“結構計算的正確解、精確解存在嗎?”,給出了確定無疑的肯定回答——這在當前無疑是一種振聾發聵聲音!
   以有限元為基礎的結構電算技術,在幾十年來飛速發展,計算的準確性大幅度提高。高校、研究機構眾多力學專家的研究工作的目的,就是提高計算的準確性。佳構公司及JG-STRAT軟件多項基礎性研究成果,桿系結構的積分算子法是材料非線性問題目前最有效方法,高性能墻單元是目前國內外軟件中計算精度最高的,這些成果本身就是“結構計算精確解”的組成部分。

6、《報告》回答了一個關鍵問題:“怎樣判斷計算的準確性?
   首先,工程類學科,試驗驗證無疑具有絕對重要的意義。但是試驗只能定性,不能驗證計算精度。例如結構計算精度可達99%,這是試驗無法達到的。
   其次,彈性力學解解析解,只能是較為簡單的特定的構件,結構層次上的計算,難有解析解。
   再次,有限元有很多經典算例。但這些算例針對單一單元、特定結構,不能驗證結構工程中綜合性問題。
   這些已有方法,均不能有效驗證結構計算的準確性。結構計算有其自身的復雜性、特征。
 
   《報告》結合謝博士本人及JG軟件的技術實踐,提出驗證結構計算準確性的方法。
    A、閉合解。由于結構結構的單元均可以細分。如果計算單元是精確的,細分、不細分結果相同,計算結果自我閉合。
    B、漸變性、趨勢性判斷。結構、荷載等條件逐漸變化,得到系列解,判斷其變化趨勢。
    C、多模型校核。結構計算中間較為綜合性的問題,可以多種計算模型計算,確定合理范圍。
    這些方法都是實踐證明有效的,國內外首次提出,是結構工程學科的“方法論”相信長久之后會被逐漸接受,具有深遠的意義。

7、《報告》倡導發展“計算結構力學”學科。結構計算不局限于有限元,結構工程有其特點,僅僅有限元是不夠的。
    基于變分原理和插值形函數的有限元單元,本身精度有限,需要細分而才能逼近精確解。這類機制適合單個形體的分析,例如一個機械零件、一個結構梁柱節點。而工程結構的特點是單個構件簡單、構件數量龐大,一般細分將導致額外的局部變形、反而降低計算精度,更精密細分導致無法接受的計算量。
    結構的特點需要更高精度計算單元,需要不同于“變分原理+插值形函數”的更專門算法。實際上,幾何穩定方面的Oran公式基于解析方法,JG軟件廣泛應用的積分算子法也屬于解析方法,但比經典有限元精度更高、適應性更強。
    除單個單元之外,結構計算還需實際工程中的綜合性問題,例如特殊結構中的節點,線與面、面與體單元銜接,單元內部的非線性問題,特殊模型參數,等等。這些對于傳統有限元方法而言都屬于無解的“難題”,需要專門的研究探索。
    在這方面,謝博士和JG軟件已經進行了積極且有成效的探索。例如,預應力計算積分算子法,JG板式樓蓋“附加梁”模型,JG水浮力計算的“負彈簧”模型。JG首創彈塑性計算中的瞬時裂縫計算,更是有限元、解析法及其他數值方法的集成綜合。
    在當前結構計算軟件占主導地位,人們往往以為,工程力學、有限元解決了計算問題。結構學科絕對不是“只剩下試驗,和對計算結果修修補補的調整系數”,不應拋棄力學計算核心,而需發展適應工程結構特點的力學計算。

 



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