创新思维在结构设计中的应用(2)

结构工程中的力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质，包括拱形结构类、薄壳结构类、充气结构类等多种类型。例如，结构专家们发现，恐龙巨大的躯体、长颈和粗长尾巴的重力中心是在腰部，身体的重量通过身体重心传递到粗壮的四肢上，整个身体的上部犹如一座拱桥;从力学角度来看，它的确是一种承受巨大负荷的理想结构的造型，这就是建筑结构工程史上\"拱形结构\"的历史渊源。这种\"拱形结构\"的仿生建筑用料省，坚固耐压，外观美观大方。生物界的各种蛋壳、贝壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀，质地轻巧的\"薄壳结构\"。这种\"薄壳结构\"的表面虽然很薄，但非常耐压。模仿它们壳体在外力作用下，内力都沿着整个表面扩散和分布的力学特征，在建筑工程尤其是需要大空间的体育场馆、剧院等都已得到广泛应用。充气结构类，植物和动物的细胞内能充满液体或气体。这些液体或气体对细胞壁产生一定的压力，这种压力称之为液体静压力和气体静压力，统称为细胞胀压。应用细胞胀压原理，结构工程师设计出各种新颖别致的充气充液结构。

(3)医学科学与建筑结构设计的结合

医学科学关于诊断、理疗、康复、补救等概念和模式，正在渗透到建筑结构理论和建筑工程中，通过运用数理统计学和模糊数学的原理，形成结构工程防灾减灾理论的基础。建筑诊断学的建立，对结构工程的防灾减灾，古、旧建筑结构的维护和修复提供了可操作性的依据。一种基于人体学破损自愈合原理的混凝土结构工程裂缝自我修复的研究，已经成为混凝土结构设计前沿的课题，并给现实生活带来重大的意义。神经网络法是一种计算模式，它从结构上来模拟大脑的生物神经系统。业已证明神经网络法对于多变量、非线性问题是一种非常有用的方法，比传统的信息、数据处理具有明显优势。

三、创新思维在高层建筑结构设计中的应用分析

3.1 高层建筑结构体系的新变化及其对选型决策的影响

高层建筑发展到至今，层数已经是越来越多，建筑的样式与造型也越来越独特和丰富，结构体系也在向更加新颖的方向发展，传统的剪力墙等结构体系不断的被完善和创新。总得来说，高层建筑的结构体系呈现出以下的新特点。

(1)结构体系的巨型化。建筑高度的不断提高和建筑使用功能上对特大空间的要求，促使巨型结构体系产生。

(2)结构体系自重的轻型化。结构体系中越来越重视采用轻质高强材料以减轻结构自重。

(3)柱网、开间扩大化。近几年，高层框架内柱网尺寸及高层剪力墙的开间尺寸有渐趋扩大之势。

(4)高层建筑结构体系中设置转换层。近年来国内外流行集办公、居住、商贸、娱乐为一体的高层综合体。为实现这种功能的综合化，结构选型往往是根据各部分建筑功能要求选择各自适宜的结构体系及合理的柱网尺寸，然后通过转换层的特殊处理将它们联系，组合在同一栋高层建筑中。

(5)高层建筑结构体系中设置加强层。设置加强层可以使外柱参与整体抗弯，增强结构体系整体抗侧能力，减小芯筒的弯矩，减小结构的侧移。

作为建筑结构设计人员，在面对这些新变化新情况时，要不断的提升自己的设计水平，一方面在做建筑结构的选型分析时应充分试验，充分论证，提高设计的正确性和可信度，另一方面就是要建立起选型的新概念，积极掌握新的研究成果，吸收工程建设经验，在工程实例中正确选型，更重要的是要善于发散思考，充分利用创造性思维，创造出新的适应时代需要的建筑结构体系。

3.2 如何运用创新思维优化高层建筑结构体系

我们知道，对于不同的建筑结构体系其适用的经济高度也是不相同的，设计师在面对同一栋建筑时，往往有多种结构体系可供选择。但是到底选择哪一种结构体系更加经济合理，这就需要设计师充分掌握结构体系优化方面的相关知识。当然，在设计中也有一些基本的方法可以在提高结构的受力性能和抗震能力的同时，又不明显的增加建筑的成本，下面作者将这些基本的方法简要介绍如下。

(1)增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。

(2)设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的桁架体系;在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力;调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。

(3)增加抗弯结构体系的有效宽度，以提高结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加结构宽度可以直接增大抵抗力臂，从而增大结构的抗倾覆力矩。从材料力学的基本知识可以知道，相同截面面积、不同的截面形状，可以获得不同的截面几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其它条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑\"剪力滞后\"\"的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。

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