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结构工程专业知识学习经验谈{转}
2012年11月29日 教学感悟 暂无评论

这篇博客将要探讨的问题主要针对土木工程(包括结构工程)的学科知识系统问题,主要是两个方面的内容:1、大学时代的如何合理规划专业知识;2、工作以后如何加强专业知识的学习。

以前曾经认为,土木工程属于传统学科,通俗地说就是“越老越吃香”;但工作后,才渐渐体会到,这个观点是不正确的。因为,现在这个专业系统高度发展的时代,技术正发生着日新月异的巨变,特别是软件时代的全面到来,对结构工程技术人员的理论功底要求不是削弱而恰恰是更加高了。例如,结构弹塑性时程分析,这种分析在30年前的结构工程领域几乎不可能涉及到,还处于研究阶段;而如今结构弹塑性时程分析在地震区的高层建筑特别是超限高层建筑中已经可以说是家常便饭。再比如,基于性能的抗震设计和结构抗连续倒塌设计,这些全新的内容,在10年前国内的规范根本没有影子,而明年将要颁布的新规范这些内容全部被提上议程。随着研究的逐步成熟和学科的高速发展,这些内容对结构工程人员的理论要求越来越高!设想,如果没有接触过《结构动力学》、《混凝土非线性理论》、《结构有限元》等课程,理解这些内容必然是困难的。而对于性能的抗震设计、结构抗连续倒塌设计,这些内容国内的主流教科书都比较少涉及,只知道在美国规范和英国的规范中应用较多,对于这次我国规范变更引入的全新内容,结构工程人员还能墨守成规、循规蹈矩吗?

【大学时期的专业知识系统】
相对工作来讲,在学校的对专业知识的学习时间还是短暂的,土木工程专业从大学二年级开始接触专业基础课到大四毕业设计,对专业知识的接触一般仅两年多时间。当然,这个时期主要还是打基础,为将来工作的专业知识做准备。大学时期对专业知识课程学习进行适当的规划还是比较重要的,这里谈谈自己的几点肤浅经验:

(一)本科阶段
力学是土木工程的基石。力学专业基础课程的学习是十分必要且重要的。三大力学,《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》,是重点。理论力学主要研究刚体在静力状态和动力状态下的平衡问题;材料力学主要研究杆系构件的平衡以及变形、应力内力、稳定等问题,与理论力学最大的区别就在于考虑了弹性体的变形问题;结构力学研究静定和超静定杆系结构的静力和动力平衡问题。有这样有一个感觉,理论力学的知识在后续专业课中用得比较少而逐渐流失退化了,材料力学和结构力学用得比较多,逐渐得到加深。但我认为,作为经典力学理论基础的理论力学实际上是十分重要的,还是很有用处的,例如在工作后接触到抗震设计规范中的“考虑扭转偶联的振型分解反应谱法”(现在的设计软件基本默认采用这种方法计算地震作用),其中对于楼层系统的转动平衡问题,实际上就涉及到理论力学中的刚体转动平衡方程,而这个方程在结构力学以及后续专业课中经常被忽视了。

三大力学之外,还综合考虑学习如下几门力学课程:《土力学》、《岩石力学》(地基基础课程的必修课)、《流体力学》(暖通给排水专业的必修课)、《弹性力学》。这里特别要强调的是弹性力学,因为是选修课,很多人都不太重视,其实弹性力学完全可以说是结构工程师的力学必修课。弹性力学将平衡问题从杆系结构深入到微元体的平衡问题,具有更为广泛的适用性和普遍性。特别是工作后涉及到的平面类型构件(楼板、剪力墙等),如果没有弹性力学弹性板理论的相关知识,对于软件给出的内力结果(例如应力方向等)甚至就不知道是什么含义。可以说,弹性力学是整个弹性力学体系的根基,材料力学、结构力学都是基于这个根基引深出来的。可能有人会问:材料力学不是也学过应力的概念吗?但那只是在很多假定条件下得到的杆系构件的截面应力,而弹性力学的应力应变概念更为广泛深入。个人认为,如果条件许可,在本科阶段好好学习弹性力学是大有裨益的。此外,有兴趣可以学学《有限单元法》的课程,对工作也很有帮助,因为工作中将可能使用有限元结构分析软件,没有有限元的基本概念是比较吃力的。

本科阶段,结构设计的几门课程:钢筋混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、砌体结构设计原理(如果有开设的话)是专业课程的重点。工作后,如果从事设计工作,这几门课就是重要的专业基础相当重要。由于在学校时期,对于规范的接触有限,没有规范的概念,而工作后的专业知识则多围绕规范,因此在学校时期选修一些专业课程设计是很必要的。通过做设计,既能巩固设计原理的知识,也能适当接触规范,为以后的学习打下基础。不过,这里要提几点工作后的体会:在学校时候,由于学时有限,教师对一些比较难的设计原理不会做详细介绍往往让学生自己课下看,这点我感觉不好。举几个例子:(1)工作后,PKPM软件参数设置柱构件“双偏压”这个概念,由于在混凝土结构设计原理中教师没讲也没接触过,所以感觉比较陌生,然而工作后又很难有时间再系统翻书学习双偏压的基本设计原理知识,于是只得糊里糊涂地跟着软件走了,对计算结果也不知道如何判断。(2)钢结构稳定理论这块,实际是很难的一块理论,当时教钢结构的老师估计怕大家听得太难听烦,于是干脆就不做介绍;而工作后,涉及到的钢结构稳定承载力验算的相当多概念,当时学校学习时候没有建立,感觉就比较困难,只能很勉强地按规范代公式计算,根本不知道每个参数的含义也经常取错。(3)砌体结构,现在很多高校都不开设这门课了(当然,随着国家经济实力的提高,砌体结构也会逐步退出历史舞台),当年没接触过,而现在从事既有建筑鉴定工作,很多都是砌体结构,于是就发现有太多专业知识根本就不懂,学起来就很费劲了。

本科阶段的专业知识还是以力学理论基础和结构设计原理为重,基本满足了从事结构设计工作要求的基本知识就可以算达标了。例如,能独立把一座框架结构的设计工作做下来,完成结构选型、荷载汇集、内力计算、构件配筋设计、节点设计、施工图绘制等等,那基本就达标了。这里要说的是,本科的毕业设计尽量独立完成,不要过多地使用设计软件;软件方便是很方便,但不利于专业系统知识的锻炼。

(二)研究生阶段
研究生学习阶段,涉及到的理论知识就比较深了,因为主要是为课题研究工作做准备。我认为,研究生阶段的有如下几门专业课程是必修的:《弹塑性力学》+《有限单元法》、《结构动力学》+《工程抗震》、《高等混凝土理论》、《高等钢结构理论》。这六门课比较重要,虽然都比较难。弹塑性力学是有限单元法的先修课程,结构动力学是工程抗震的先修课程。高等混凝土理论主要针对混凝土规范中的一些条文的研究背景进行介绍,便于将来深入理解规范;高等钢结构相应地对钢结构规范的研究背景进行介绍。这里比较后悔当年没有选修《高等钢结构理论》这门课程,对钢结构的稳定理论理解很肤浅,例如工作后做课题涉及到的“考虑腹板屈曲后的强度理论”就由于没有相关的课程学习而一头雾水,很难搞懂。

这里顺便说明一点,规范的条文都是有明确的研究作为理论依据的,因此适当地了解一些规范条文涉及到的理论知识对于深入理解规范还是有好处的。盲目地套用规范条文,或者照着规范的公式代数据计算,实际上是很头疼而且很容易出错的一种坏习惯,我就深有体会。当然,对规范的理解和把握程度,肯定是需要长期工程经验的积累的。

除了以上六门必修课程外,还可以针对课题研究方向选修一些课程:例如《混凝土非线性分析》、《工程抗风》、《结构健康监测》等。
【推荐两本结构书籍】
这里推荐两本结构工程的专业书籍:著名结构大师林同炎的《结构概念和体系》、美国著名工程院院士爱德华·威尔逊的《结构静力与动力分析》。

《结构概念和体系》本科阶段就可以阅读,强调结构整体思维和设计方法,对于从学校学习的“构件概念”上升到工作后需要培养的结构概念十分有益,完全可以说这本书是结构工程师的必读书籍。

《结构静力与动力分析》比较适合研究生阶段阅读,这本书精辟地阐述了结构工程所涉及到底弹性力学、有限元、非线性分析、动力分析方法、工程结构抗震分析等的基础理论知识,可以说当今结构工程学科的所有常用分析都可以在本书中找到理论依据;当然这本书的理论较深,没有较好的理论功底看起来还是比较吃力的;总体说来,我感觉这本书很大一个特点就是:将基础力学和结构工程实践结合起来,从弹性力学微元体到整个土木工程结构的分析,理论和实践性非常强,实在佩服作者的理论功底和工程实践能力。当然,作者可是国际权威级别结构分析软件的SAP2000、ETABS程序计算内核的最早开发者啊。
【工作后专业知识系统】
工作后从事专业技术工作,绝不是没东西可学,而是学习的东西还很多。如今专业知识博大精深,任何人都不可能将一个学科的所有知识都掌握。从事技术工作的一个特点就是,专业知识技术性强,外专业的人员可能就无法胜任具有很强专业性质的工作,因此专业知识理论和技术能力对于工程技术人员来讲重要性毋庸置疑。

工作后学习的一个重要特点就是——“实践性强”。这时候就不再停留在是学校时期的理论知识层面上了,就要涉及到具体的工程实践中去,解决实际工程问题。因此,这时候的学习往往是在实践中边做边学,从实践中发现问题,分析问题,最后解决问题。这里要提的一点是,作为结构工程专业来讲,工作后要培养“结构思维”,而不应该仅仅停留在学校时期的“构件思维”层次上。

工作后学习的另一个重要特点就是——围绕规范。规范是基本依据,对规范的理解和把握程度实际上决定了工程技术人员的水平。但是,又不应当把规范当做“圣经”盲目照搬;正如林同炎大师说的:“工程师应当只把建筑规范作为一种指南,作为参考,而不应当将规范当成圣经盲目照搬。”

“规范是最低要求”,这点我曾经在08年厦门的一次学术会议上听一位台湾的专家讲到,当时难以理解,怎么规范就成了最低要求了呢?当时还以为,只有达到专家的程度才能说这样的话。但在后来工作实践中,才逐渐地认识到这句话是不无道理的。首先,满足规范要求的结构不一定就是一定安全的,而不满足规范要求的结构又不一定是一定不安全的(可能有些绕口);汶川地震震害就说明了,满足规范要求的结构仍然大量出现了我们所不希望看到的“强梁弱柱、柱铰破坏”。之所以满足规范要求的结构不一定是安全的,我的理解,是因为规范还是基于研究工作并简化而来,而实际工程问题的复杂性以及研究的必要简化假定,都可能给研究的结果带来误差,有时甚至是颠覆性的,例如我们对于楼梯斜撑效应、填充墙对结构整体刚度分布的影响等问题,就几乎是完全出现了相悖的情况。所以我很赞同导师曾经对我说的“规范总是落后研究的”,规范以研究作为基础,一旦研究出现了问题或是不完善的地方,规范自然就跟着错误或是误差了。“规范是最低要求”的第二个原因,就是规范的要求程度是一种最低要求,例如规范中“宜”、“应”、“必须”的字眼其程度就不同。而我们在实际工作中,对“宜”的字眼往往就疏忽了,认为它可满足可不满足;再举个例子,现行的《建筑抗震设计规范》中对“强柱弱梁”验算通过柱端弯矩放大系数实现,其中要求对一级框架及抗震设防烈度九度地区才要求对节点的梁按实配钢筋反算抗弯承载力进行柱端弯矩计算。但由于实际工程中,大陆地区的大城市没有处于九度地区,而高层建筑又很少采用纯框架结构,因此不少设计人员为了回避复杂繁琐的实配钢筋承载力验算,按规范的“最低要求”偷懒掉了;而如果将规范看作“最低要求”,甚至可以对于6度区的框架结构就可以按实配钢筋反算承载力,这样更有利于实现“强柱弱梁”。这个例子,就充分说明了规范最低要求。此外,对于一些大设计院,其结构设计的水平要求也高,除了上述实配钢筋反算的例子外,还例如北京建筑设计院对于楼板设计就要求采用“塑性设计方法”,而其它多数设计院则采用“弹性板设计方法”。实力较强的设计院更注重结构概念设计,超前于现行规范,引入了结构性能设计方法等,这都说明了规范是最低要求这个观点。

规范的学习,必然是一个长期的过程。我认为,对规范不应该只停留在照搬条款,会代数据计算公式的程度上;而应该尽量深入地理解和把握规范。当然,某些规范条文涉及到的理论背景还是很深的,想很深入地理解也不太可能而且没有必要。例如,对于钢结构稳定理论这块,涉及到的计算长度系数的得来,就要涉及到弹性压杆稳定理论,再深入又要涉及到弹性力学微分方程的求解,再深入又要涉及到微积分数值求解方法等等,这些理论对于普通工程师来讲确实太费精力也没有必要理解得那么深入,我觉得对这个问题只要明确两个概念基本就行了:(1)什么是柱子的计算长度,它反映了什么力学本质问题?(2)计算长度与哪些因素有关?有哪些基本假定?基本达到这个层次,就OK了,再深入就是科学研究的工作了。

此外,工作后往往时间紧,很忙,没有时间看书充电;这点我认为还是要靠个人毅力和恒心。毕竟工作了,生活、家庭的压力和事情都会加入进来,不比学生时代主要以学习为主时间也比较充裕。适当地买些专业书籍来补充自己的理论知识,适当地了解些专业前沿的内容还是有必要的。



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