结构工程学科的研究对象与思维方式的探讨

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作者按：现代科技革命与马克思主义课程是一门博士的人文课程，我是比较喜欢哲学的，这次课程论文我相当的重视，借此机会谈谈这几年来做事情的一些方法与思考方式，水平与文字能力有限，放上博客实在是见笑，主要是想与师弟师妹们谈谈结构工程学习的一些方法，这此方法只是我的一些小小见解，希望大家共同进步。

结构工程学科的研究对象与思维方式的探讨

文 | 陈学伟

摘要：本文主要介绍结构工程学科的研究内容，并阐述结构工程三大主要课题方向：材料学、结构分析方法及荷载学。进而探讨结构工程研究常用的思维方式，包括简化思维、类比思维及发散思维等，通过大量的研究课题实例阐述三种思维方式对研究过程的帮助。简化思维是结构工程研究中最为重要的思维方式之一。类比与发散思维有助于创新性的课题研究。

一、 结构工程学科的研究对象

(1) 结构工程学科的研究内容

本人在读专业为结构工程，结构工程是一门研究结构体系的受力性能，通过对材料性能，构体系力学的性能等研究，在安全、经济、合理的前提下设计对结构进行设计与评估，达到抵抗自然界作用及人类使用的目的。结构工程是人类历史上悠久的学科之一，如古埃及的人们很早就根据稳定的四角锥几何原理，设计出金字塔，如图1所示。

什么是结构？结构是相对于机构而言，机构出现于大量的机械当中，是可以灵活活动的体系，如图2(a)所示。结构是“不动”的体系，如图2(b)。所谓的“不动”是一种相对的概念，事实上结构是可以“运动”的，只是所谓的运动称为变形，该变形量比较小。

结构工程界有一句盛行名言(无从考究何人最早提出)：“我们结构技术人员是在通过自己的工作与大自然作斗争。我们通过不能被彻底认知的材料(混凝土、钢、木、砌体等等)，构造出不能被精确分析的结构(所谓的框架、框剪、剪力墙、筒体等等)，来抵御我们无法预料的自然力(总是突如其来的地震、飓风等等)。但是尽管如此，尽管如此的不精确、看上去如此的粗糙，我们却能够做到需要的时候保护人们的生命，这就是结构设计的神圣所在”。

从上述这段话可以看出结构工程学科的研究课题的主要内容，主要分为：“不能被彻底认知材料”、“不能被精确分析的结构”、“无法预料的自然力”。

(2) 结构工程材料学

所谓“不能被彻底认知的材料”，如混凝土、钢、土等。自然界与人为很多因素影响材料的性能，以混凝土为例，混凝土本身由水泥沙浆，砂石与水混合搅拌而成。三种成分的比例，搅拌的程度，混凝土的养护条件都直接影响混凝土的弹性模型及强度。

材料性能难以准确的描述。结构工程关于材料性能的研究在于尽量准确的预测形成结构的材料，研究人员主要通过材料试验，构件试验及数值分析等手段去研究材料的真实性能。进入21世纪，从聚合物材料的发现以来，材料科学发展迅速，已有大量的新型材料作为结构材料，因此关于结构工程材料的研究也是现在研究热点，如CFRP混凝土(碳纤维加强混凝土)，如图3所示。

(3) 结构工程分析方法

所谓“不能被精确分析的结构”，主要体现在结构的力学分析上。结构之所以可以抵抗自然界中的作用力，是因为结构的材料抵抗作用的能力强于结构的内力。什么是结构的内力？结构内力是一个物理概念，牛顿力学将自然界的物体之间的相互作用称为力，自然界存在如重力，风力，地震作用时的惯性力等。

结构是用来抵抗力的，内力就是结构将外界的作用力分担在自身的构件上的力。示意图如图4所示。已知结构的材料几何性能及边界条件（支座条件），进行数学与物理的分析可以得到结构的内力分布，这个过程称为结构分析。

结构分析是结构工程的主要研究内容，更准确点的描述是：结构分析是将结构的物理模型转化为数学模型，并对其进行简化，将简化后的数学模型求解，得到反映物理模型的结果，用于评估或设计结构是否抵抗外界作用力的一个过程。

现代结构分析的主要工具就是有限单元法，有限单元法的原理就是将结构的数值连续模型离散化，分离为以单元为单位的模型，单元本身是通过弹性力学的概念，将其物理方程、几何方程与材料方程用能量守恒原理统一起来，得到平衡方程式。这种方法面向不规则的结构体系，也就是最常见的结构体系，该方法一直受到各工程学科的广泛应用，如图5所示。结构分析的主要目的就是通过数学与物理学的知识分析并了解结构的性能，尽可能精确的分析“不能精确分析”的结构。

(4) 结构工程荷载学

所谓“无法预料的自然力”，也就是上述的外力，也是结构工程研究的重点内容。结构抵抗外界的作用，也称为外力或荷载。建筑结构一般承受的包括结构自身重量荷载，人或家具的自重荷载，人行动力荷载，风动力荷载等等。

荷载可分为动力荷载与静力荷载，概念的划分是根据荷载的变化周期，如果周期很长，如结构的自重，基本上是永恒不变的，一般称为静力荷载，如果周期很短的荷载，如地震作用，其作用与变化是瞬间的，称为动力荷载。

一般的荷载(除了重力荷载)都非常难以准确测量与计算，以风荷载为例。暴露在外界的结构物，需要抵抗空气流动产生的动力荷载——风荷载，风荷载是最复杂的荷载工况之一，研究风荷载物理模型是空气动力学的热点。风荷载的成分本身就分为静力部分——平均风荷载及动力部分——脉动风荷载。通过风压测量仪器可以测得风速曲线如图6所示，可见脉动风是一个平稳的随机过程。

结构本身的体型不同导致风荷载作用在结构上产生不同的效应，风荷载的分布这也是风荷载复杂性之一，一定体型的结构外表面的风荷载分布如图7所示。风荷载的分布相对准确的计算需要借助风洞试验或数值风洞，其成本是非常昂贵的，风洞试验如图8所示。单单关于风荷载就有相当丰富的研究课题，可见荷载学的研究在结构工程研究中的地位。

二、 结构工程学科的逻辑思维方式

结构工程学科属于工科，基于理科但不同于理科，思维方式比较丰富。本人结合课题研究的内容，讲述结构工程研究常用的思维方式。

(1) 从抽象到具体——简化思维

哲学的描述简化思维一般称作把具体事物抽象化[5]。认识开始时，客观事物是作为一个具本的整体出现在人的面前，人们对它的认识是感性的具体的认识。通过分析，抽象出单纯的规定性，从中区别出本质的东西和必然的规律性，这是感性的具体上升到抽象的规定。

客观存在着的事物都是具体的，以剪力墙试验为例。剪力墙是建筑结构中常用的竖向钢筋混凝土构件，用于抵抗水平荷载，正在施工的剪力墙如图9所示。罕遇的地震作用下，剪力墙构件会发生破坏，如图10所示，这是一种直观的认知。那么，剪力墙构件需要多大的地震作用才会破坏了，在地震作用下如何评估剪力墙的设计是否安全？这个问题上升到将具体的事物量化，这需要一个重要的工具——抽象。

本人参与了剪力墙构件的试验[6]，试验装置如图11所示。试验现场所观察到的现象，测量的数据（应变及变形）都是直观的认识，为了解剪力墙的非线性力学行为，需要找到剪力墙构件受力、变形及破坏的规律，那么就需要将具体变为抽象。

试验的观察与测量的数据具体，而且是感性的具体，在抽象思维之前，还需要把感性的具体转化为理性的具体。理性具体是在思维中对客观事物的各个内在因素、特性等多样规定性的统一的认识。这些内在的规定性是感官不能直接感知的，理性的具体的特点是内在的，深刻的。

如何转化？举个例子，通过观测，发现一个规律，各受力阶段，剪力墙沿截面高度方向的应变呈直线分布如图12所示，表明剪力墙截面各点的变形值的分布呈一个平面，也就是平截面假定的力学的概念，这一点理性具体认识非常重要，关系到下一步抽象思维的进行。

在形成了理性的具体认知以后，可以进行抽象思考。所谓的抽象思考，就是把在特定条件下的复杂的事物简单化。举个例子，在天文学的研究里，只考虑地球的宏观力学性能，所以将地球考虑成匀质规则的球体。在地质学的研究中，地球肯定不能简化了匀“质”的球体，因为地质学就是研究地球内部各种不同的“质”的分布。所以抽象思维是有条件的，一定要在特定的条件下才可以进行。以剪力墙试验为例，剪力墙试件，在特定的材料、几何尺寸与配筋情况的条件下，可以进行抽象思考。

基于对剪力墙试验中平截面变形的现象的认知，可以将复杂的剪力墙模型简化成简单的杆系模型，如图13所示[7]。杆系模型中的刚臂的作用就是保证模拟剪力墙内部各点变形的竖杆的变形保持一个平面。把理性具体认识作为抽象或简化思考的突破口，简化的结果一定要反映出理性认知的规律，事物的发展规律是抽象思考中的重要工具，抓住主要规律简化复杂事情，了解其本质内涵。

抽象是一个简化的过程，不能把问题进一步的复杂化，混凝土与钢筋的变形是复杂的，通过简化成杆系，混凝土与钢筋合二为一，只考虑它们的轴向变形。根据理性的认知，在剪力墙的受力过程中，混凝土与钢筋的轴向变形的成分是最多的，弯曲与剪切的变形都非常的小，所以这种简化虽然没有考虑两种次要的变形，但是把主要的变形考虑了。这也体现了抽象思考的一个特点，抽象思考要把握要主次关系，一定要抓住事物的主要矛盾。

那么忽略的剪切变形，这些次要的因素是否排出思考的范围？不是。次要因素也需要抽象思考，其思考的目的是如何减少次要因素对分析方法的影响，也叫做消除简化抽象方法的误差。经试验发现剪切变形约占总变形的10%，可以将其简化为一水平弹簧，如图所示，其数学模型可以通过试验回归得到。

抽象思考或简化思考有三个特点：

• 掌握事物的主要规律，作为简化的主要线索，抽象结果能实现该规律；
  
• 把握事物的主要因素，简化主要因素，保证简化后抽象认知与主要因素对应；
  
• 次要因素不可忽略，评估其相对影响，采用简化方法尽量降低影响；
  

再以一简单的物理现象的抽象思考作为旁例。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的实验，如图14所示，得出了重量不同的两个铁球同时下落的结论，从此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900多年之久的错误结论。

关于自由落体实验，伽利略做了大量的实验，他站在斜塔上面让不同材料构成的物体从塔顶上落下来，并测定下落时间有多少差别。结果发现，各种物体都是同时落地，而不分先后。也就是说，下落运动与物体的具体特征并无关系。无论木制球或铁制球，如果同时从塔上开始下落，它们将同时到达地面。伽利略通过反复的实验，认为如果不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，即重力加速度的大小都是相同的。

伽利略的抽象分析当中，理性地认识到同一高度，不同物体同时落地。抽象出来的内在规律就是加速度的大小是相同的，与材料密度无关。以该规律作为线索思考，下降加速度相等，这个加速度是主要因素，以前被认为是主要因素的密度与体积变成了次要因素。抽象得到理论就是世界上的物体都受到一个相等的作用，也就是自由落下的加速度，可以测出为9.8m/s2，而密度与体积是次要因素，会产生一定的误差。后来该抽象认知为牛顿的万有引力定律提供了良好的基础。该抽象思维甚至可以简化为g=F/m表达，密度与体积会影响空气阻力，是次要因素也是误差的原因。

(2) 不同的题目相同的方法——类比思维

所谓的类比，就是根据两类对象或两个对象在一些属性上的相同，并且已经知道一个对象具有某种属性，推出另一对象也具有某种属性。类比法所得到的结论与演绎结论不同，类比结论是或然的，而演绎结论是必然的。

类比思维有三个特点：

• 类比的相同程度越高，结论可靠性越高；
  
• 类比可以跨课题、跨领域、跨学科；
  
• 类比的本质表明事物的发展规律或然的相同；
  

类比是科学技术发明的重要工具。以防毒面具的发明为例子，一战期间的1915年4月22日，德军在比利时的伊普雷战役中使用了180吨的液态氯气攻击敌方阵地，使英法联军的1500人中毒，5000多人丧命，大量动物中毒而死，而野猪却安然无恙。原来是野猪拱地躲避刺激，野猪的鼻子吸附大量的泥土，带孔隙泥土结构起了净化器空气的作用。

由此科学家通过类比法思考，改用活性炭代替泥土，活性炭的吸附作用用于吸附毒气，于是发明了防毒面具。地球的自然界经历了几亿万年的发展，经过优胜劣汰机制，将各种自然规律融合于地球上的所有事物。通过与自然界的事物类比，可以得出很多创新的科技发明，仿生学就是一门仿造生物原理的科学。

在结构设计中也常常用到类比法。举个例子，树是自然界常见的植物，树枝未端比较细，承受较小的风力，越接近树干树基，树枝的直径直粗，体现了内力从远到近传递且变大的力学原理，树的结构是非常合理且节约材料的结构，于是工程师利用类比的方法设计出类树状的钢结构，用于大跨度结构的竖向构件，如图所示。

上述的例子是跨学科跨领域的类比思考的成果，从生物学到工程学，同属于具体的思维方式，以下结合本人研究课题讨论结构工程学科内抽象的类比思维。

本人在风荷载的研究中发现，风荷载与地震荷载有一些相同之处：

• 地震荷载与风荷载都是随机荷载；地震荷载重现期较长，风荷载较短；
  
• 为了方便描述随机荷载，地震荷载有加速度反应谱，如图17所示，风荷载有风速功率谱，如图18所示；
  
• 地震荷载的反应谱是通过大量的地震记录回归得到，风速功率谱也是通过大量的强风记录回归得到；
  

基于上述三点表明地震荷载与风荷载作为随机振动，在结构分析上的处理有共同之处，而常用的地震计算采用了时程分析方法，也就是把实际的地震波记录用于结构动力分析当中。根据类比法与三点相似条件，同理可以采用风速功率谱拟合的风速风压时程作为风的作用记录应用于结构的风振响应分析当中，本人经过算例分析与工程分析，并与设计规范作为旁证，表明风振时域方法得到进一步的验证，如图19所示[3]。

这个类比表明随机振动研究中频域方法与时域方法的判证统一关系。经上论述表明类比法的过程：

• 检查类比双方相同之处，分析本质原因；
  
• 根据相同之处，提取新事物的类似发展规律，也就是提出假说；
  
• 通过实践检验新事性的发展规律；
  

(3) 知识的拓展——发散思维

21世纪是一个知识大爆炸的世纪，互联网成为划时代的科技改变了人类对知识传播的方式，距上一次是14世纪的欧洲由于中国传入印刷术改变了知识传播方式。学科的知识不再单一，出现边缘学科、综合学科、协作学科等。

世界最先进的科技往往来自于综合学科，如生物电子科学（生物与电子结合），如图20所示、机器人科学（计算机与机械结合），如图21所示、人体工学（人体生物学与机械工程学结合），如图22所示。发达国家的协作学科代表着国家最先进的研发力量，如航天科学，它需要大量的学科进行互动协作。

可见，学科知识的不再单一要求科学工作者具有更高的思维拓展能力，更好的把其它学科变为已用或者是将自己的学科与别的学科进行协作交流。

以结构工程为例，在上一节说到传统的结构工程认为结构不同于机构，结构是“不动”的或“微动”的，现代的观点截然不同，其实结构是可以“动”的，这就是将机械工程的知识拓展到结构中来。

建筑物由于合理使用的需求，需要结构活动，变成机构，那么需要在结构工程的基础上加入机械工程的知识，例子有南通体育馆，如图23所示，馆上的屋架有若干轨道可以将内置于座位区上方的屋架移动至中央，将整个体育馆封闭用于避雨。这种活动的建筑还有著名的格士黑德开合桥，如图24所示，位于英国的南岸，在格士黑德和纽卡赦地方之间，它跨越太恩河，是世界上第一座用“机关”拆、闩桥的中间，把它吊起，让船只通过的桥。它用八组电机合起来的能量，把桥中央分开，吊起离开水面积164尺，于2001年完成。

本人结合课题的研究阐述一下知识拓展对创新性研究的帮助。什么是创新？创新的理解有很多种，知识拓展也是创新的一种，用新方法解决旧问题是一种创新，用新方法进行一点的微小的改造也是一种创新。

举个例子，为在战争进行射击活动，人类发明了弓箭，这是一项创新的发明。接而人类发明的手枪，这是采用新方法解决旧问题，也属于创新。由于手枪不能连续发射，这样推动了可连续发射机枪的发明，机枪只是在手枪上做一部分改造，它也属于创新。可见，创新的本质就是“创”与“新”，“创”是创造、发明或发现，“新”是使其新，也就是创造后不断地改造，发明后不断地改进，发现后不断地深入；

互联网与计算机作为21世纪最重要的高新技术推动各行业的研究发展，包括结构工程，特别是计算机使有限元技术在结构分析中占有重要地位。互联网在结构工程上体现为各工种之前的网络协作的工作方式。本人通过学习互联网的实时通讯的编程技术，完成了“基于网络的结构非线性协同分析”。这是一次计算机通讯知识向结构分析中的拓展。

传统的有限元结构分析一系列计算一次性完成，而子结构法是一种创新，它可以分布进行，简单来说先粗算后细算。基于网络的结构非线性分析方法的基础是子结构分析方法，也就是将一大型结构划分为若干子结构与总简化结构，先总简化结构分析，分析完再进行子结构分析，最后统一合并计算结果。该方法早在60年代已提出，当时互联网技术仍未出现。互联网技术的出现就作为一种新技术改造旧方法，课题的主要研究是将子结构与总简化结构各设置在不同的计算机内，由于身处不同计算机，所以可以实行并行计算，提高计算效率，研究原理如图25所示[8]。

子结构法是传统一次分析的有限元法的一个创新，将互联网技术改造子结构法也是一种创新。可见，知识之间相互联系，可以相互协作，可以碰出创新的火花。

三、 结论

结构工程的研究目的，是设计并评估结构，使其满足安全，经济，合理的要求，供人类使用。其主要研究课题内容包括：结构材料的研究，分析方法的研究及荷载作用的研究。结构工程包含了数学、物理学及计算机科学等多种科学的内容在里面。

本人结合经验，罗列出本人在结构工程中的应用的逻辑思维方法：包括简化思维、类比思维及发散思维，简化思维是结构工程研究中最为重要的思维方式之一，也是结构工程培养学生的主要技能之一。工程结构相当复杂，需要简化思维去寻求内在的本质。类比与发散思维有助于创新性的课题研究，要求科研工作者以博学的学习方式了解学科以外的知识，接纳学科以外的知识，运用学科以外的知识。

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[3] 陈学伟,韩小雷,郑宜等.高层建筑结构风振时程分析软件的技术研究[J].华中科技大学学报（城市科学版）:2008(3);
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[5] 王晖.科学研究方法论（第二版）[M].上海财经大学出版社:2009;
[6] 韩小雷,陈学伟,戴金华等.基于OpenSEES的剪力墙低周往复试验的数值分析[J].华南理工大学学报（自然科学版）:2008(12);
[7] 韩小雷,陈学伟,吴培烽等.OpenSEES的剪力墙宏观单元的研究[J].世界地震工程:2008(4);
[8] 陈学伟,韩小雷,王响等. 基于网络的结构协同弹塑性分析方法的研究[J].计算力学学报 (已投);

本文来源于陈学伟的博客，作者：陈学伟博士，华南理工大学土木工程系結构工程工学博士，结构工程师，助理董事，研究方向：高层建筑抗震研究、有限元分析技术在工程中的应用，Email：dinochen1983@qq.com。