创新思维在结构设计中的应用

【摘 要】建筑结构设计及其相关工程是一门古老的学科，要使它在新的历史时期为人类社会发挥更大的应用价值，必须从结构理论和方法上进行全面创新。本文围绕着创新思维在结构设计中的应用，主要介绍了结构分析中关于创新思维的理论、结构设计中运用创新思维的方法及列举了高层建筑结构设计中如何利用创新思维的具体体现。

【关键词】 结构设计 创新思维 高层建筑

一、结构分析中关于创新思维的理论

建筑结构理论分析是伴随着建筑结构体系发展而完善。建筑结构尤其是高层、超高层结构(建筑物高度超过100米)高度日益增加，体形越来越复杂，体系越来越新颖，从而对结构分析及设计提出了新的课题。结构分析已经从简单结构向复杂结构发展，从线性向非线性发展，从静力向动力发展，考虑上部结构与地基的耦合作用。

目前，结构分析方法有许多种形式，都是基于变分原理而通过创新思维建立起来的，现在国内外公认的常用方法不外乎以下几种，1.差分法;2.有限元法;3.有限条法;4.现代加权残数法(QR法);5.边界元法(QR法);6.样条函数法(QR法)等等。后三种方法是著名的秦荣教授在结构分析理论方面的创新，是从有网格到无网格化的突破。为此，我们可以对这些分析方法的创新思维特点作一比较并对当今的结构分析难点作出描述。

其中，QR法对结构分析的创新解决了几方面的难点。对于结构静力问题、动力问题、稳定性问题、几何非线性问题及弹塑性问题，利用样条子域法或QR法导出了新的计算格式;利用样条边界元—QR法或样条无限元—QR法导出了高层建筑上部结构与地基基础相互作用、桩与土相互作用、桩与桩相互作用及结构与结构相互作用的新的计算格式。对结构动力响应分析提出了样条振型叠加法、样条直接积分法、样条子域法、样条向量追赶法及样条逆推法。这些方法比国内、外流行的Wilson-θ法，New-mark法及Hilber-α法稳定性好，收敛性快，精度高且无超越现象。

二、结构设计中如何应用创新思维

2.1 运用逆反思维

逆反思维是利用事物的多样性和差异性，在解决当前问题的已有模式或传统途径之外，独辟蹊径，从已有思路相逆或相异的方面，挖掘出一切其它可能的方案，从中寻优，以获得对现有传统理论或方案的突破和创新。工程建设的逆作工艺技术，就是基于逆反思维的哲学理念，抛开传统的桎梏，应用最新的工程技术，立足于丰富的工程实践经验和严密的组织技术管理，往往在取得显著经济效益的同时，对工程技术的进步和创新产生推动及示范作用。

(1)框架结构填充墙逆作法

传统的框架结构设计对填充及围护墙没有受力性能要求，仅起分隔空间及保温隔热的作用，但实际上承重型砌块墙是具有相当抗力性能的。研究表明，如果采用逆作工艺即先砌墙后施工框架，则可使得填充墙与框架梁柱有可靠的连接，从而保证两者的整体性及协同工作性，使框架在承受水平力时的侧移及内力峰值大大降低，内力分布更趋合理，提高结构的延性及抗变形能力。

(2)桩基逆作法

一般的结构施工程序是先打桩，后基础承台或底板，再上部结构。而逆作法则是先做承台或底板基础，施工一定层数的上部结构后再压桩。此法由于地基土体在先期建筑荷载作用下产生固结压密效应，提高地基承载力，可以大大减少工程桩数量(此时产生桩土耦合作用)，节省投资。另外由于桩施工不占主导工期，且对环境无干扰，有利于缩短工期及文明施工，此法在多、高层建筑中得到成功应用。

(3)结构控制隔震技术

对地震的破坏过去我们总是采取消极或被动措施，如增加结构强度和刚度，从而耗费了大量的社会资源。20世纪后半叶人们提出了控制概念，从逆向思维出发，应用主动控制原理，在上部结构和基础之间设置减震或隔震装置，使地震能量很少传至上部结构，从而以较少的代价避免了地震灾害的影响。我国近年已采用了橡胶支座隔震技术，成功地将隔震技术推向市场。

2.2 充分利用学科之间的相互交叉

结构设计与其它学科的交叉、融合，必定会创造出充满生机和活力的新理论和方法，增强结构工程可持续发展能力，并为其开拓出广泛的发展空间。

(1)控制理论学科与建筑结构设计的结合

结构的传统对策是依靠本身的性能(结构的强度、刚度、变形能力及耗能能力)来达到抵御外动荷载的目的。要确保这样的结构安全可靠，必须具备下列三个条件：(a)完全准确地掌握结构承受的外动荷载;(b)完全准确地掌握材料的特性;(c)合理有效的分析及设计方法。由于结构动荷载的不确定性，根据这种结构对策设计建造的结构可能不满足功能及安全的要求。为达到结构功能及安全满足要求的目的，结构工程师正在将控制理论用于结构工程中，使结构设计由抗震设计进入减震设计，结构对策进入结构振动控制阶段，建立了现代结构控制理论，这是结构工程发展的里程碑。巨型框架悬挂体系就是一种有发展前途的现代结构控制的结构体系。它不仅不依赖于主动控制，而且还可以达到主动控制的减震效果;不仅体现了被动控制的各种减震思想，而且还可以抛弃目前被动控制的各种弊病。

(2)仿生学是研究生物系统的结构和性质以及为工程技术提供新的设计思想和工作原理的科学

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