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建筑結構設計的四項基本原則,剛柔相濟

發布日期:2019-12-17 12:12:28來源:責任編輯:土木工程網


導讀:
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合理的建筑結構體系應該是剛柔相濟的。結構太剛則變形能力差,強大的破壞力瞬間襲來時,需要承受的力很大,容易造成局部受損最后全部毀壞;而太柔的結構雖然可以很好的消減外力,但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。結構是剛多一點好,還是柔多一點好?剛到什么程度或柔到什么程度才算合適呢?這些問題歷來都是專家們爭論的焦點,現今的規范給出的也只是一些控制的指標,但無法提供“放之四海皆準”的精確答案。最后,專家們達成難以準確言傳的共識:剛柔相濟乃是設計者的追求。道也許都是相通的。
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剛柔相濟,多道防線,抓大放小,打通關節
1、剛柔相濟
  合理的建筑結構體系應該是剛柔相濟的。結構太剛則變形能力差,強大的破壞力瞬間襲來時,需要承受的力很大,容易造成局部受損最后全部毀壞;而太柔的結構雖然可以很好的消減外力,但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。結構是剛多一點好,還是柔多一點好?剛到什么程度或柔到什么程度才算合適呢?這些問題歷來都是專家們爭論的焦點,現今的規范給出的也只是一些控制的指標,但無法提供“放之四海皆準”的 精確答案。最后,專家們達成難以準確言傳的共識:剛柔相濟乃是設計者的追求。道也許都是相通的。
  想想看,人應該是剛多一點好還是柔多一點好呢?思考的哲人們對此各抒已見,力求給出處世的靈丹妙方??偟膩碇v,做人太剛和太柔都不受推崇。過份剛強者,應變能力差,難以找到共同受力的合作者,便要我行我素,要鶴立雞群,即使面對任何突然襲來的惡勢力,亦敢于硬頂硬撞而不留變通的余地,這種時候必須有足夠的剛度才能立于不敗,否則一旦后繼乏力,油盡燈枯就會發生脆性破壞,導致傷痕累累、體無完膚的滅頂之災。在盛贊這種剛氣之余,卻鮮有人能夠或者愿意完全去做到,英雄的眼淚大抵只有英雄自己能體味。人們唯有感嘆道:精神可嘉,方法難??!
  世人處世多以“柔”為本,退一步海闊天空,和為貴。柔者易于找到共同受力的構件以協同消化和抵抗外力。但過柔亦為人所不恥。因為“柔”必然產生變形以適應外力,太柔的結果必然是太大的變形,甚至會導致立足不穩而失去根本。處世極為圓滑者,八面玲瓏,見風使舵,整日上竄下跳,左右逢源,活得游刃有余,這種柔得無形,表面上著實不容易受到傷害,骨子里卻難免有“似我非我”的疑問,弄不好會個性喪失、面目全非,可能還免不了要背上奴顏婢膝的罵名。所以古人在長期的實踐后發現了中庸之道最適合生存。用現代的話來講大意是做人最好既有原則性又有靈活性,也就是剛柔相濟。剛是立足之本,必要剛度不能少,如此方能控制變形在可以忍受的范圍內,才不會失掉本質的東西;柔為護身之法,血肉之軀剛度畢竟有限,要學會以柔克剛,不斷提高消化轉換外力的能力,有時候,犧牲一點變形來抵抗突然到來的摧毀力是必要的,也是值得的,但應以不失去自我為度。
  只可惜“道可道,道難行”。不是想剛就能剛,想柔便得柔的,剛柔相濟只是理想中的“模糊結構”,每個人的組成材料千差萬別,生存的地基也不盡相同,所受的外力更難統一定性。如此的差異下,企望哲人們找到統一的、萬無一失的處世良方實在勉為其難。不過,每個人如果都能給自己多一點時間,去思考一下適合于自身的結構體系,想必這世界會有另一番光景。
 
2、多道防線
  安全的結構體系是層層設防的,災難來臨,所有抵抗外力的結構都在通力合作,前仆后繼。這時候,如果把“生存”的希望全部寄托在某個單一的構件上,是非常非常危險的。多肢墻比單片墻好,框架剪力墻比純框架好等等,就是體現了多道防線的設計思路。也許我們會自信計算的正確性,但更要牢記絕對安全的防備構件是存在的,還是應該多多考慮:當第一道防線跨了,第二道防線能頂住嗎?或者能頂住多少?還有沒有第三、第四道防線?
  人生也應該是多道設防的吧。畢竟,誰能堅信在一棵樹上永遠吊不死,或者誰又愿意在一棵樹上吊死呢?再好的汽車,都會有一個備胎在后面。一輩子平平安安、無災無難的人實在很幸運。而每當看到飽滄桑、歷盡苦難的人盡力呵護甚至溺愛他們的子女時,也總有一股曖流涌入我的心中??蓱z天下父母心,他們不 希望自己的不幸際遇在下一輩去重演的!張開陳舊而溫暖的大傘,他們時時設防,企圖讓子女在暴風雨來臨時免受傷害。能有這樣的父母作為人生的第一道防線是該知足了。但進一步想想,這第一道防線就已經足夠了嗎?父母是否也該注意到去督促和幫助子女學會構筑人生的第二、第三道防線呢?因為大多時候,最終陪我們走完一生路程的,可能不會是別人,不會是父母,而只有自己啊。
  記得有個同行朋友,在精心做完一個建筑的結構設計之后對我說,他煞費苦心地設計了一道又一道的防線來抵抗可能出現的地震破壞,真希望來一場地震檢驗一下他的成果,可接著他又說心底里有點害怕地震真會到來。我對此很有同感:想一想,最好還是沒有檢驗的機會吧,因為安全的儲備能夠名副其實,永遠處于儲備狀態才是我們設計者的心愿。類似地,培養一個人堅強,當然決不是希望他去遭受磨難的,而是讓他具有化解磨難的能力而已,如果能平平安安豈不更好?只是,我們千萬千萬不能放棄培養一個人變得堅強起來的努力。
  偶爾在報上會讀到百折不撓者,他們象堅不可摧的建筑,無數次風雨雷電、天崩地裂之后依然立在那里,讓人肅然起敬。但我并不贊成“經歷磨難越多越偉大”的觀點,我以為我們的生命真的不需要用磨難來證明些什么:生命原來可以不偉大的,但應當快樂,所以我們要努力使其免遭傷害,因為生命只有一次。我想到的只是,雖然生命歷程中最好沒有任何災難,但是抵抗災難的防線卻是越多越好,我們寧愿這些防線一輩子都用不上,可誰又會認為建立這些防線就是多余、是空費時間和精力呢?就象建筑結構的安全儲備,用不上可不等于沒有用的!
  我忽然亂想一通。戰爭來了人們寒暄:“還活著呢?”饑餓日子人們關心:“吃飽了嗎?”混亂之后人們調侃:“撈了多少?”競爭年代人們試探:“何時下崗?”什么時候,人們會笑問:“防線準備好了沒有?”是呀是呀,奔跑時?;仡^看看備胎是否帶上,啊喔。
3、抓大放小
  “強柱弱梁”、“強剪弱彎”等是建筑結構設計中非常重要的概念。有人問:為什么不是“強柱強梁”“強剪強彎”呢?為什么所有構件都很強的結構體系反而不好,甚至會有安全隱患呢?
這里面首先包含著一個簡單的道理:絕對安全的結構是沒有的。簡單地說,雖然整個結構體系是由各種構件協調組成一體,但各個構件擔任的角色不盡相同,按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來,各個構件協作抵抗的目的,就是為了保住最重要的構件免遭摧毀或者至少是最后才遭摧毀,這時候犧牲在所難免,讓誰犧牲呢?明智之舉是要讓次要構件先去承擔災難。“寧為玉碎,不為瓦全”,如果平均用力,可能會“玉石俱粉”,損失則更大矣!在建筑結構中,柱倒了,梁會跟著倒;而梁倒了,柱還可以不倒的??梢娭袚呢熑伪攘捍?,柱不能先倒。為了保證柱是在最后失效,我們故意把梁設計成相對薄弱的環節,使其破壞在先,以最大限度減少可能出現的損失。如果梁柱等同看待,企圖讓他們都“堅不可摧”,則可能會造成同時破壞,后果會更糟糕,損失會更大。所以關鍵時刻要分清主次,抓大放小,也就是要取大舍小。有舍才有得,舍是為了得。但取誰舍誰,真是個難題。
整個社會縮小了就象建筑結構體系。人們竟不住要自問:在冥冥眾生中,我是一根梁還是一根柱?我能做一根梁還是能做一根柱?我愿做一根梁還是愿做一根柱?取舍在所難免時,我是被“取”還是被“舍”?按理說,不管梁還是柱,都屬于社會體系的一分子,都不可或缺。但我相信很少有人甘心去做陪襯、做墊腳石的--每個人都希望成為頂梁柱之類的重要角色。只可惜總要有人擔任其他次要角色,去成為梁、樓板乃至填充墻等等的。于是這世界充滿了競爭,充滿了矛盾;于是在這種競爭和矛盾中導演了一出出角色互換的悲喜??;于是這社會最后必然要論功行賞才顯得公平。大概每個人都能在相應的崗位各得其所,社會才會變得有序起來。
  身居高位者,承擔的責任較大,他(她)的行動會影響到多數人的利益,所以他不能倒,他只能最后倒;所以在給予相應特權的同時更要嚴格要求他,以確保大眾的利益。如果高官和平民享受同樣的待遇,不知道還能有多少人想去做官想去承擔更多責任。但是倘若手握重權而不慎用,享受特種待遇卻沒有做出相應的貢獻,最終這樣的官是做不長久的。就象一根柱子如果沒有發揮柱子的作用,大廈將傾,最后倒掉的還包括它自己??梢娭倪x材設計須當謹慎,否則即害了柱,還要殃及整個大廈的。擔任次要角色、身處低位的人,身上的擔子當然很輕,只能從自己的利益出發去要求社會,因為自身的存亡對他人影響不大,所以獲得的特權保護相對很少,甚至沒有什么特權,非常時刻還要“舍車保帥”,但幸虧大多時候還可以擁有活得輕松的心情,因為責任小嘛。不始寞者要想實現角色由低到高的轉換,首先要搞清楚自己?承受能力,然后再去努力把能力提高,如此方能擔起重任,好高騖遠是不明智的。也許我們所需要的,我們想爭取的,其實只是一份發熱后輕松的心情。
  如果說“大材小用”導致的是浪費,“小材大用”蘊藏的則是危險,所以嚴守“大”關實在很有必要。道理是簡單的,比較起來卻很殘酷--誰愿意承認自己是“小”呢?
 
4、打通關節
在結構體系中,所謂關節,是指變化相聚之處,或變化出現的地方。不同類型的構件相接處,同一構件截面改變之處,是關節。廣義上,諸如結構錯層之處,體量改變之處,轉換層亦是關節。關節無處不在,因為結構體系乃是變化的統一。外力突然襲來之時,對于單一的構件,力量的傳遞簡明,因而容易控制。對于復雜的結構體系,關節的復雜性難于預測和控制,即使從理論上保證了每個組成構件的強度和剛度,但因關節的普遍存在,力量的傳遞往往不能暢通而出現集中甚至中斷,破壞由此而發生。歷次災害表明,從節點開始破壞的建筑占了相當大的比例。
所以理想的結構體系當然是渾然一體的--也就是沒有任何關節的,這樣的結構體系使任何外力都能迅速傳遞和消減?;谶@個思路,設計者要做的就是要盡可能地把結構中各種各樣的關節“打通”,使力量在關節處暢通無阻。中醫上云:“通則不痛,痛則不通”,結構就象一個人,氣穴若不能暢通,癥結和隱患就會產生。在設計的四項基本原則中,“剛柔相濟”,“多道防線”,“抓大放小”是設計概念中的戰略問題,但要想得讓這些戰略思想得以實現,靠的是“打通關節這個原則作為保證的,結構設計的具體操作,最后全都歸到“打通關節”的貫徹和實施上來。如何打通關節?在設計概念里,要解決的是外力在結構體系內重分配的問題,要確保力量是按照各構件的剛度大小進行分配的,避免出現不合理的集中,最終達致靜態的平衡。因結構形本為“靜”,滅于“動”中。所有“動” 的因素對于結構均為不利。打通關節保持平衡的目的其實就是使其永遠處于原始的靜態,當力量不能暢通時,構件與構件之間,構件的組成元素與元素之間的靜態平衡一旦被破壞,結構變成機動,“動”即是死,即為終結??梢娫O計者是協調者,其任務是讓所有互不相關的靜態構件相聚之后依然處于靜態(也就是使其保持常態),或者是處在相對的靜態之中。 綜上所述,我們可以初步的了解一下結構設計的基本原則,從而為我們設計的合理和安全也奠定了基礎。
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