中国年轻结构工程师困惑与出路

2016-09-17 by:CAE仿真在线来源:互联网

前言:我在一家大型工业设计院工作,今年是我毕业工作第十个年头。与很多国家的同行们在实际工程中真刀真枪干过。结构设计做了很多,看了很多,也想了很多。现在对结构和结构设计所想写下来,与同行们一起分享。希望对所有梦想成为真正结构工程师的年轻人有所帮助。写得对的地方我们一起来共勉,对写得不对的地方我们一起来切磋。老一代结构人已经退出历史的舞台,我们正在创造属于我们这一代人的历史。我们一起努力共同进步,共创我们美好的明天。
结构设计教育需改革
近年来,由于我们国家大兴土木,工程建设异常繁忙,很多年轻人纷纷加入了建筑结构设计的行业,结构设计师收入也不错,结构人迎来了春天。但并不是所有人的春天,一帮热血沸腾的年轻人每天面对琐碎的技术问题,披星戴月带着巨大的职业压力在做设计,其实过的都是与富士康员工相当的苦逼生活。这很大原因归结于我们的技术水平还没有达到职业要求。只有冲破了技术屏障,结构人的春天才真正到来。
对于如何提高设计水平,我想起了我学外语的教训。从初中考试到研究生毕业,整整花了 13年的学外语。第一次出国门,发现所学外语与实际应用相去甚远,连基本的问题都很难解决。在国外一年时间里,基于生活和工作需要,跟司机、厨师学、当地的工程师学…,外语终于可以张开就有。回国时在昆明机场在电梯里忘记了这是国内,用外语回答别人的问题发现对方很茫然,后才想到这已经是国内了。13 年的努力敌不过一年,为什么?不是我们不努力,而是我们努力的方向不对。外语不是什么高大上的东西,是传统学校教学方法有问题的。
基于设定的考试而不是基于需要的学习,耽误我们十多年的青春。同理,结构设计学习也是一样的,很对人学了很多年的数学,如代数、几何数学、微积分、概率论、线性代数、离散数学等等,学了很多工程力学,如材料力学、结构力学、理论力学、弹塑性力学等等,在实际的工程中能应用多少呢。学校教育并不是基于实际需要的教育。导致很多工程师都喜欢在家里闭门造车,拿着规范啃,抱着软件不放。有很多人认为大院的设计水平就很高,其实不然。设计院的水平就是做具体事情的几个工程师的水平。大多也就是闭门造车的产品,过分依赖规范和软件,只关心结果不关心过程,结构设计思路不明确,主次轻重不分,没有理解结构设计本质,没有掌握结构设计逻辑。结果是做设计如打乱仗,每天带着一堆疑问做设计,压力大,效率低,质量差。
学校里边的理论课与实际应用脱节。数学、理论力学、结构力学、材料力学等不是基于设计工程需要而学习,考试考得很高深,具体到工程实际就不会应用了。规范制造了很多名词,提出很多要求,一般人很难看出背后的规律,很多地方很难跟实际联系起来,结果是考注很高分的人不见得能做出多高的设计。这让我想起老外考英语四级考不及格的事情。这跟我们学英语一样,从初中到大学毕业,结果还是写不出来,张不开口。新东方英语的成功就是对学校英语教学失败的证明。结构师教育存在同样的问题。这种基于考试需要且缺乏实践的教育模式导致很多刚刚毕业学生面对设计不知道从何下手。在设计单位,注重速度而不在乎设计技能培养,让一批年轻人蹉跎了人生学习知识的最美好的时光,失去了独立思考的能力。最麻烦的是我们的结构是教育以及我们的结构设计思维模型。在学校里老师念经式的讲课。毕业后,就像一台没有拼装的机器,无法自行能运转起来,更别说能生产产品。刚刚毕业出来做设计,首先花大量的时间去画图.同事间的技术壁垒限制。工程师成才的路上,永远没有抓到设计的真相,全部是规范和所谓的经验说辞。我觉得中国结构工程是培养从来没有在正确的轨道上。那每年不到 10%的通过率的注册考试就是证明。如果把工程师水平分级,可以分为画图级、简支梁级、框架级和土木级。在我看来,我国 80%的工程师属于画图级和简支梁级。
墨守成规、缺乏创新。我们的结构工程师教育需要一场革命。目标是:结构工程师能熟练的运用结构基本理论解决结构设计问题。不管辅助软件好坏,不管有没有规范,我们能做出合理的结构。方向是:基于结构行为需要的结构设计学习方法(PSR)。

工程师培养应该回归到正确的轨道上来,工程师做工程师应该做的事,软件做软件做的事,规范做规范做的事情。我们要做到“我的设计我说了算”。如果说基于实际需要的外语学习方法是对传统外语学习方法的革命,基于结构行为需要的结构设计学习方法(PSR)就是对过去说教式的结构学习方法的革命。什么是结构设计:结构设计是一门学问也是一种习惯;设计做透了就像玩积木,做不透就像走迷宫;设计做得多不如想得多,想得多不如想得透。一句话:做透它,形成一种习惯。具体如何做呢?关于结构设计和结构师技能提高在这里我谈谈我的看法。

年轻设计师的问题:
平时喜欢在网上跟年轻的同行们讨论问题,发现很多人年轻同行都有一样的毛病。
1、离不开规范。做设计一定要按着规范一条一条套。就不知道如何做出一个可靠合理的设计,不知道如何优化设计。
2、喜欢用 PKPM。不管遇到任何问题都喜欢用软件建立一个模型分析,而且希望所有的问题都能在软件模型中表达出来。
3、不喜欢分析。遇到不熟悉的结构形式,不知道如何分析。
4、对结构安全可靠心里没有底。有的人做一个结构,不知道结构有多少余度,最后是做完设计回去天天睡不着觉。
5、乱套规范。明明是受压部位,一定要计算一下混凝土的裂缝。检修用的吊车梁,一定要计算一下疲劳;
6、没有逻辑。做结构设计,关键的地方不去想,把主要的精力放在次要的地方。

为什么出现这种情况呢?归根结底是没有系统性的理解透彻结构行为和设计本质。比如不清楚荷载取值,不清楚结构如何工作如何破坏,不清楚构件如何崩溃。结构工程师把基本的结构原理放到一边,而放大量的精力在画漂亮的图和结构计算软件等方面。这让我想起了咱们中国学生学英文,天天去背语法,而不是去开口和运用,最后大部分是哑巴英语,外语应用水平还不如在海外呆过几年的厨师。

设计逻辑比设计技术重要
结构设计本质都是一样的,都是结构力学、材料力学的问题。做结构设计最重要的是设计逻辑。其他的如软件应用、规范熟练、画图工整等都是辅助而已。主要的结构设计逻辑:
1) 结构安全性层次:关键构件、次要构件;
2) 结构设计本质是:结构破坏预测(结构分析)与结构破坏设防(结构设计);
3) 理解结构行为是结构设计的基础;
4) 做设计前,首先确定设计目标;
5) 结构设计所有参数必须是可靠的。可靠性理论是结构安全的基础
6) 结构设计分为评估层次和精算层次。对任何设计,首先进行简化方法的评估,当评估认为有必要时才做精算。除非局部评估认为很关键才需要用诸如 ABAQUS 或ANSYS 有限元计算。

关于设计软件
刚参加工作的时候主要是 PKPM,任何设计上都想到 PKPM 解决。由于PKPM 功能有限,有的异型一点点的结构建立模型很麻烦,想尽各种办法去建立模型。浪费了很多时间和精力。现在回想起来,为什么不寻找不用 PKPM 可以解决的办法。很多烦恼都是因为用某种软件带来,那我们干嘛一定要用呢。所以建议大家不要太依赖软件。养成软件依赖症,对设计失去控制能力,设计水平永远不会提高,而且会给你的工作带来无穷无尽的烦恼。为了减少烦恼,尽快把设计弄透,而不是过多得劲精力研究某种软件如何操作。除了 PKPM,其他的国际认可的通用型软件 STAADPRO、MIDAS、ABAQUS 、ANSYS等软件的操作思路都是差不多的,仅仅是界面和操作方法有所不同。就像手机操作系统那样,大同小异。不同软件有不同的侧重点,很难说好坏。评点一下:

PKPM,国产软件,优点:能解决问题,批量式建模,一步到位的设计功能。缺点:黑箱操作,人机互动性差,自动帮助工程师完成设计。使用时间长了会有依赖性,不利于工程师的成长。结论:建议年轻的工程是谨慎使用;

STAADPRO,美国产,优点:我认为是最好的一款结构设计软件。这个软件仅仅做结构分析,不做设计(有的附加设计模块)。从建模、荷载、荷载组合、结构内力分析等等都比较开放,工程师可以根据自己的需要处理。特别适合做工业类建筑。缺点:软件的统计分析功能差了点。结论:鼓励多用,可以透彻理解整个结构设计过程。对快速提高工程师结构设计水平很有帮助。构件设计部分自己可以编写其他程序来完成。

MIADAS,韩国产,优点: 功能比PKPM
功能强大,不知道谁学习谁,可以完成一站式设计,开放性也不错,支持数字化建模,相信不久的将来将取代 PKPM。缺点,相比 staad
互动性差点,界面也不是那么友好。

ABAQUS 和 ANSYS 为专业有限元分析软件,只是在觉得有必要做详细分析的特种结构用。在设计院用处不大。

关于我国设计规范
规范就像法律,最好的法律注重法理,最差的法律是基于某些人的利益需要。我们的规范就像最差的法律。我国的规范更注重具体要求,而不注重原理,想帮工程师考虑很多问题却约束了工程师的创造性。规范提了很多闭门造车式的要求,实践过程中发现了问题,就不断的升版修修补补,结果是越来越厚。每一个规范都喜欢互相抄袭自成一体,搞得很混乱很复杂,当一本规范升版的时候,其他规范不就忙着升版。一帮人忙着出版新的规范诠释,到处开讲座。妈的,一帮人忙着赚钱,这帮人是谁呀,学霸、规霸。为了编写规范每年搞了很多经费,做哪些重复了很多次的试验。这门那么古老的工程学,他们每年都能推陈出新,为什么?因为他们根据自己需要那么做,而不是因为科学。

作为规范应用者,我们应该理解规范背后的真相。不管是钢结构、混凝土还是高层结构或者是抗震,都回归到荷载—结构行为—结构抗破坏设计,都是结构力学材料力学的问题。只要理解了规范背后的真相,几十本规范浓缩起来成一本规范,其他规范都是这本规范的变种。那你就成为一名真正的结构工程师。任何设计对你来说都轻易拿得起放得下。

PSR(process‐solve‐resistance)结构设计方法
解决结构设计问题的根本是“知其然、知其所以然”。不管是钢结构、混凝土结构、木结构还是桥梁结构,抗震还是非抗震,多层还是高层,设计思路是一样的。结构师做到“知其然知其所以然”。知道结构工作实际情况和掌握设计逻辑。那规范的问题和软件的问题以及实际的问题就迎刃而解,或者就很容易找到答案。

解决结构设计问题的根本方法是 PSR(process-solve-resistance)方法。 P(process)结构行为分析:荷载分析,过程分析,破坏分析, S(solve)构件内力分析:内力分析,强度分析,R(resistance)构件承载力设计:截面确定、配筋确定、构造确定、评估分析
设计目标:
S/R=k,K 为小于 1 的系数,结构工程师根据荷载和边界可靠性、结构部位、破坏后果和投资意愿等因素确定。
PSR
结构设计方法的基础是:
1)概率论在结构行为可靠性中的应用:荷载、材料、行为等各个环节可靠控制;(对任何结构)---大学基本没有教
2)荷载与结构内力(对任何结构)---结构力学、材料力学、理论力学
3)结构破坏行为与结构关键路径分析(对任何结构)---大学基本没有教、这是结构设计的关键
4)构件破坏与破坏设防(钢结构和混凝土结构构件)---规范规定
5)安全控制逻辑

结构技能提高路线图
学习项目主要学习内容(从实践到规范,从规范到实践)

结构可靠控制
1、荷载可靠度:荷载取值、荷载分项系数、荷载组合与发生概率的
关系;各种不同荷载如何取值,特殊条件下工程师如何考虑调整。
解决问题:任意给定的荷载如何取规定可靠度下设计值,对任意结构的部位如何取最不利工况。
2、材料可靠度:材料承载力取值有多大的可靠度;不同的荷载下的对应的材料可靠度要求;
解决问题:给定任意材料如何取规定可靠度下设计值
3、模型可靠度:计算模型参数与实际不一致,包括:结构布置、连接、结构破坏行为;
4、边界条件可靠性:土力学取值可靠度,支座可靠性

5、施工可靠度:了解结构不同的位置施工难度和修复代价,根据难度和代价,设计控制不同的余度。

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