建筑结构设计的影响因素及其与结构意外破坏的关系

摘要:本文通过对影响建筑结构设计因素的逐一阐述,全面了解各因素的形成与发展,并在结论部分指出这些因素与建筑结构意外破坏的关系。

关键词:建筑;结构;破坏;事故;因素;设计

中图分类号:TU27 文献标识码:B文章编号:1009-9166(2010)017(C)-0250-01

20世纪后半期,建筑结构设计的各个方面都有了长足进步,但同时也存在若干问题:理论与技术上的进展,能否在实质上降低结构发生问题的危险性?结构意外破坏,尤其是倒塌在未来的状况是怎样的?

这些问题的答案是难寻的,因为导致结构物出现事故的因素非常多,分散在各个方面。从以往案例中可以提炼出一些合理的答案。五种基本因素会影响结构的设计,也影响着建筑物的安全性。

一、结构理论

现代最有效的结构分析方法不需要求解微积分方程式,运用“有限差分法”就可以容易地把微积分方程式转换为简单的代数方程式而得出解答。“有限元法”将数字性的差分法运用在物理性的方法上,可以相当容易地提出问题,并对若干年前认为无解的问题及进行解答。有些情况下,由于使用了复杂的结构与特别高强度的材料,我们无法通过一个有效数量的步骤精确地求解,则必须使用非线性微分方程,其求解过程异常复杂,运用逐次逼近法可以减少基本运算过程。如果有更多的物理理论应用在改善结构的设计上,其相应的书学难题都能迎刃而解。而相关的物理理论发展,有赖于原子与核物理的研究成果及现代化学的成果。因此除高深的理论研究,需要更精确的实验研究方法。

二、计算工具

早些时候计算工具非常简陋,例如计算尺、三角函数和对数表等,之后,掌上计算器就能够快速地完成任务。如今,计算机已成为结构计算上极具价值的工具,它能在几个小时内就轻易算出5万―10万个方程式,并且成本低廉;同样,它也能在几秒内完成结构动力学上必须用逐次逼近法解决的复杂方程式。计算机对结构设计的贡献相当巨大,它确实带来了极大的进步,并使得过去一些被忽视的问题在今日得到解答。重要的是,它给了我们“最优化”的方法,这样就大大降低了成本。

三、材料特性

除木材以外的天然材料都存在单一强度高的问题,例如,植物纤维仅仅抗拉强度高,而石头仅仅抗压强度高。18世纪中叶,钢筋混凝土的出现开启了多用途人造材料的使用,如今他得使用已经遍布全世界。提高钢材的强度常常会导致其脆性的增加,脆性使钢材强度限制在不过多高于已达到的强度等级。同时,现代交通的便利性也使得钢材能轻易地送抵世界各地,如那些缺乏铁矿或煤矿的地区。在强度上能与钢匹敌的铝材,在盛产国家开始被使用,但消耗昂贵的电能是广泛生产铝材的局限。1991年,建筑结构工程领域已经开始实验性地使用比钢还要轻5倍、轻度比钢材大5倍的碳纤维材料。不能依赖结构专家对化学家或材料工程师提出发明建议,而要依赖全球这个庞大的建材市场不断增加的刺激来发明出新的、廉价的、更结实、更安全的材料。

四、沟通过程

计算机辅助绘图软件(CAD)快捷准确,成本只是手工绘图的一小部分,这是计算机对建筑界一项更为重要的贡献。在沟通问题中,最重要的是信息交流组织,众多参建人员,每个人虽然都精于自己的专业领域,但对其他领域不甚了解,导致之间的配合出现问题,并引发一系列不必要的繁琐事件。

五、经济因素

经济因素是结构设计中最重要的一个环节,例如工资和材料成本的比值,不同区域呈现不同的状况,以至于建造时的细部要求就不同。另外,在发展中国家,由于技术工人难寻,必须施建安全系数更高的建筑。

当前科技社会的发展,为建筑业指出了非常明确的趋势:通过不断采用节省劳动力的设备、机械以及进度表,是劳动力成本大为降低。速度及精度是其他行业的特征,在建筑业中可充分把速度与精度用于降低成本及提高安全性,因为时间和经济方面的压力常常是结构破坏的原因。

六、结论

结构领域的进步能否减少破坏案例的数量?

其实,每个影响结构设计的因素更好的变化都同时减少但也同时增加了破坏的危险性。例如就计算机运算的影响来说,至今已开发出许多解决结构设计上一般性及特殊性问题的计算机程序。它们的使用非常普遍,因为普通的设计者都可以靠他们来解决原本他们自己无法解决的计算问题,而且这些程序都是由杰出的专家设计,使用者即使不熟悉或者不了解程序的逻辑运算,也能用他们去解决问题。然而甚至是一些最具权威的程序,也有可能存在错误,或者不适于某些特殊问题,同时一些缺乏经验的使用者并未检查使用该程序计算出的结果是否与工程实际的结果一致。另外,当不停地向计算机输入数字时,很有可能会出现失误。因此,盲目地相信程序或输入值的准确性,很可能会导致严重的错误结果。

对结构失败的案例的最终分析几乎都可以归咎于人为的失误,但在性质上或有不同。有些事由于知识不足,以至于无法避免错误;有些虽有足够的知识,却因延误沟通过程而发生错误;有些事由于忽略了一些最新知识;还有一部分则是误解了公认的知识;意外出现的最后一个原因是不正确的流程(大部分发生在施工过程中)。只有较深地秉持人类的良知,才能建造出更安全的建筑物。

作者单位:江苏徐州中国矿业大学

参考文献:

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[2]黄晓莺.关于建筑结构设计安全度的探讨.工业建筑,2001.

[3]颜兴强.浅谈建筑结构设计方法.

[4]周玉石.结构设计的虚拟原型技术与应用研究,2007.