中國年輕結構工程師困惑與出路

2016-09-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

前言:我在一家大型工業(yè)設計院工作,今年是我畢業(yè)工作第十個年頭。與很多國家的同行們在實際工程中真刀真槍干過。結構設計做了很多,看了很多,也想了很多?，F(xiàn)在對結構和結構設計所想寫下來,與同行們一起分享。希望對所有夢想成為真正結構工程師的年輕人有所幫助。寫得對的地方我們一起來共勉,對寫得不對的地方我們一起來切磋。老一代結構人已經(jīng)退出歷史的舞臺,我們正在創(chuàng)造屬于我們這一代人的歷史。我們一起努力共同進步,共創(chuàng)我們美好的明天。
結構設計教育需改革
近年來,由于我們國家大興土木,工程建設異常繁忙,很多年輕人紛紛加入了建筑結構設計的行業(yè),結構設計師收入也不錯,結構人迎來了春天。但并不是所有人的春天,一幫熱血沸騰的年輕人每天面對瑣碎的技術問題,披星戴月帶著巨大的職業(yè)壓力在做設計,其實過的都是與富士康員工相當?shù)目啾粕?。這很大原因歸結于我們的技術水平還沒有達到職業(yè)要求。只有沖破了技術屏障,結構人的春天才真正到來。
對于如何提高設計水平,我想起了我學外語的教訓。從初中考試到研究生畢業(yè),整整花了 13年的學外語。第一次出國門,發(fā)現(xiàn)所學外語與實際應用相去甚遠,連基本的問題都很難解決。在國外一年時間里,基于生活和工作需要,跟司機、廚師學、當?shù)氐墓こ處煂W…,外語終于可以張開就有?；貒鴷r在昆明機場在電梯里忘記了這是國內(nèi),用外語回答別人的問題發(fā)現(xiàn)對方很茫然,后才想到這已經(jīng)是國內(nèi)了。13 年的努力敵不過一年,為什么?不是我們不努力,而是我們努力的方向不對。外語不是什么高大上的東西,是傳統(tǒng)學校教學方法有問題的。
基于設定的考試而不是基于需要的學習,耽誤我們十多年的青春。同理,結構設計學習也是一樣的,很對人學了很多年的數(shù)學,如代數(shù)、幾何數(shù)學、微積分、概率論、線性代數(shù)、離散數(shù)學等等,學了很多工程力學,如材料力學、結構力學、理論力學、彈塑性力學等等,在實際的工程中能應用多少呢。學校教育并不是基于實際需要的教育。導致很多工程師都喜歡在家里閉門造車,拿著規(guī)范啃,抱著軟件不放。有很多人認為大院的設計水平就很高,其實不然。設計院的水平就是做具體事情的幾個工程師的水平。大多也就是閉門造車的產(chǎn)品,過分依賴規(guī)范和軟件,只關心結果不關心過程,結構設計思路不明確,主次輕重不分,沒有理解結構設計本質(zhì),沒有掌握結構設計邏輯。結果是做設計如打亂仗,每天帶著一堆疑問做設計,壓力大,效率低,質(zhì)量差。
學校里邊的理論課與實際應用脫節(jié)。數(shù)學、理論力學、結構力學、材料力學等不是基于設計工程需要而學習,考試考得很高深,具體到工程實際就不會應用了。規(guī)范制造了很多名詞,提出很多要求,一般人很難看出背后的規(guī)律,很多地方很難跟實際聯(lián)系起來,結果是考注很高分的人不見得能做出多高的設計。這讓我想起老外考英語四級考不及格的事情。這跟我們學英語一樣,從初中到大學畢業(yè),結果還是寫不出來,張不開口。新東方英語的成功就是對學校英語教學失敗的證明。結構師教育存在同樣的問題。這種基于考試需要且缺乏實踐的教育模式導致很多剛剛畢業(yè)學生面對設計不知道從何下手。在設計單位,注重速度而不在乎設計技能培養(yǎng),讓一批年輕人蹉跎了人生學習知識的最美好的時光,失去了獨立思考的能力。最麻煩的是我們的結構是教育以及我們的結構設計思維模型。在學校里老師念經(jīng)式的講課。畢業(yè)后,就像一臺沒有拼裝的機器,無法自行能運轉起來,更別說能生產(chǎn)產(chǎn)品。剛剛畢業(yè)出來做設計,首先花大量的時間去畫圖.同事間的技術壁壘限制。工程師成才的路上,永遠沒有抓到設計的真相,全部是規(guī)范和所謂的經(jīng)驗說辭。我覺得中國結構工程是培養(yǎng)從來沒有在正確的軌道上。那每年不到 10%的通過率的注冊考試就是證明。如果把工程師水平分級,可以分為畫圖級、簡支梁級、框架級和土木級。在我看來,我國 80%的工程師屬于畫圖級和簡支梁級。
墨守成規(guī)、缺乏創(chuàng)新。我們的結構工程師教育需要一場革命。目標是:結構工程師能熟練的運用結構基本理論解決結構設計問題。不管輔助軟件好壞,不管有沒有規(guī)范,我們能做出合理的結構。方向是:基于結構行為需要的結構設計學習方法(PSR)。

工程師培養(yǎng)應該回歸到正確的軌道上來,工程師做工程師應該做的事,軟件做軟件做的事,規(guī)范做規(guī)范做的事情。我們要做到“我的設計我說了算”。如果說基于實際需要的外語學習方法是對傳統(tǒng)外語學習方法的革命,基于結構行為需要的結構設計學習方法(PSR)就是對過去說教式的結構學習方法的革命。什么是結構設計:結構設計是一門學問也是一種習慣;設計做透了就像玩積木,做不透就像走迷宮;設計做得多不如想得多,想得多不如想得透。一句話:做透它,形成一種習慣。具體如何做呢?關于結構設計和結構師技能提高在這里我談談我的看法。

年輕設計師的問題:
平時喜歡在網(wǎng)上跟年輕的同行們討論問題,發(fā)現(xiàn)很多人年輕同行都有一樣的毛病。
1、離不開規(guī)范。做設計一定要按著規(guī)范一條一條套。就不知道如何做出一個可靠合理的設計,不知道如何優(yōu)化設計。
2、喜歡用 PKPM。不管遇到任何問題都喜歡用軟件建立一個模型分析,而且希望所有的問題都能在軟件模型中表達出來。
3、不喜歡分析。遇到不熟悉的結構形式,不知道如何分析。
4、對結構安全可靠心里沒有底。有的人做一個結構,不知道結構有多少余度,最后是做完設計回去天天睡不著覺。
5、亂套規(guī)范。明明是受壓部位,一定要計算一下混凝土的裂縫。檢修用的吊車梁,一定要計算一下疲勞;
6、沒有邏輯。做結構設計,關鍵的地方不去想,把主要的精力放在次要的地方。

為什么出現(xiàn)這種情況呢?歸根結底是沒有系統(tǒng)性的理解透徹結構行為和設計本質(zhì)。比如不清楚荷載取值,不清楚結構如何工作如何破壞,不清楚構件如何崩潰。結構工程師把基本的結構原理放到一邊,而放大量的精力在畫漂亮的圖和結構計算軟件等方面。這讓我想起了咱們中國學生學英文,天天去背語法,而不是去開口和運用,最后大部分是啞巴英語,外語應用水平還不如在海外呆過幾年的廚師。

設計邏輯比設計技術重要
結構設計本質(zhì)都是一樣的,都是結構力學、材料力學的問題。做結構設計最重要的是設計邏輯。其他的如軟件應用、規(guī)范熟練、畫圖工整等都是輔助而已。主要的結構設計邏輯:
1) 結構安全性層次:關鍵構件、次要構件;
2) 結構設計本質(zhì)是:結構破壞預測(結構分析)與結構破壞設防(結構設計);
3) 理解結構行為是結構設計的基礎;
4) 做設計前,首先確定設計目標;
5) 結構設計所有參數(shù)必須是可靠的?？煽啃岳碚撌墙Y構安全的基礎
6) 結構設計分為評估層次和精算層次。對任何設計,首先進行簡化方法的評估,當評估認為有必要時才做精算。除非局部評估認為很關鍵才需要用諸如 ABAQUS 或ANSYS 有限元計算。

關于設計軟件
剛參加工作的時候主要是 PKPM,任何設計上都想到 PKPM 解決。由于PKPM 功能有限,有的異型一點點的結構建立模型很麻煩,想盡各種辦法去建立模型。浪費了很多時間和精力?，F(xiàn)在回想起來,為什么不尋找不用 PKPM 可以解決的辦法。很多煩惱都是因為用某種軟件帶來,那我們干嘛一定要用呢。所以建議大家不要太依賴軟件。養(yǎng)成軟件依賴癥,對設計失去控制能力,設計水平永遠不會提高,而且會給你的工作帶來無窮無盡的煩惱。為了減少煩惱,盡快把設計弄透,而不是過多得勁精力研究某種軟件如何操作。除了 PKPM,其他的國際認可的通用型軟件 STAADPRO、MIDAS、ABAQUS 、ANSYS等軟件的操作思路都是差不多的,僅僅是界面和操作方法有所不同。就像手機操作系統(tǒng)那樣,大同小異。不同軟件有不同的側重點,很難說好壞。評點一下:

PKPM,國產(chǎn)軟件,優(yōu)點:能解決問題,批量式建模,一步到位的設計功能。缺點:黑箱操作,人機互動性差,自動幫助工程師完成設計。使用時間長了會有依賴性,不利于工程師的成長。結論:建議年輕的工程是謹慎使用;

STAADPRO,美國產(chǎn),優(yōu)點:我認為是最好的一款結構設計軟件。這個軟件僅僅做結構分析,不做設計(有的附加設計模塊)。從建模、荷載、荷載組合、結構內(nèi)力分析等等都比較開放,工程師可以根據(jù)自己的需要處理。特別適合做工業(yè)類建筑。缺點:軟件的統(tǒng)計分析功能差了點。結論:鼓勵多用,可以透徹理解整個結構設計過程。對快速提高工程師結構設計水平很有幫助。構件設計部分自己可以編寫其他程序來完成。

MIADAS,韓國產(chǎn),優(yōu)點: 功能比PKPM
功能強大,不知道誰學習誰,可以完成一站式設計,開放性也不錯,支持數(shù)字化建模,相信不久的將來將取代 PKPM。缺點,相比 staad
互動性差點,界面也不是那么友好。

ABAQUS 和 ANSYS 為專業(yè)有限元分析軟件,只是在覺得有必要做詳細分析的特種結構用。在設計院用處不大。

關于我國設計規(guī)范
規(guī)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。我們的規(guī)范就像最差的法律。我國的規(guī)范更注重具體要求,而不注重原理,想幫工程師考慮很多問題卻約束了工程師的創(chuàng)造性。規(guī)范提了很多閉門造車式的要求,實踐過程中發(fā)現(xiàn)了問題,就不斷的升版修修補補,結果是越來越厚。每一個規(guī)范都喜歡互相抄襲自成一體,搞得很混亂很復雜,當一本規(guī)范升版的時候,其他規(guī)范不就忙著升版。一幫人忙著出版新的規(guī)范詮釋,到處開講座。媽的,一幫人忙著賺錢,這幫人是誰呀,學霸、規(guī)霸。為了編寫規(guī)范每年搞了很多經(jīng)費,做哪些重復了很多次的試驗。這門那么古老的工程學,他們每年都能推陳出新,為什么?因為他們根據(jù)自己需要那么做,而不是因為科學。

作為規(guī)范應用者,我們應該理解規(guī)范背后的真相。不管是鋼結構、混凝土還是高層結構或者是抗震,都回歸到荷載—結構行為—結構抗破壞設計,都是結構力學材料力學的問題。只要理解了規(guī)范背后的真相,幾十本規(guī)范濃縮起來成一本規(guī)范,其他規(guī)范都是這本規(guī)范的變種。那你就成為一名真正的結構工程師。任何設計對你來說都輕易拿得起放得下。

PSR(process‐solve‐resistance)結構設計方法
解決結構設計問題的根本是“知其然、知其所以然”。不管是鋼結構、混凝土結構、木結構還是橋梁結構,抗震還是非抗震,多層還是高層,設計思路是一樣的。結構師做到“知其然知其所以然”。知道結構工作實際情況和掌握設計邏輯。那規(guī)范的問題和軟件的問題以及實際的問題就迎刃而解,或者就很容易找到答案。

解決結構設計問題的根本方法是 PSR(process-solve-resistance)方法。 P(process)結構行為分析:荷載分析,過程分析,破壞分析, S(solve)構件內(nèi)力分析:內(nèi)力分析,強度分析,R(resistance)構件承載力設計:截面確定、配筋確定、構造確定、評估分析
設計目標:
S/R=k,K 為小于 1 的系數(shù),結構工程師根據(jù)荷載和邊界可靠性、結構部位、破壞后果和投資意愿等因素確定。
PSR
結構設計方法的基礎是:
1)概率論在結構行為可靠性中的應用:荷載、材料、行為等各個環(huán)節(jié)可靠控制;(對任何結構)---大學基本沒有教
2)荷載與結構內(nèi)力(對任何結構)---結構力學、材料力學、理論力學
3)結構破壞行為與結構關鍵路徑分析(對任何結構)---大學基本沒有教、這是結構設計的關鍵
4)構件破壞與破壞設防(鋼結構和混凝土結構構件)---規(guī)范規(guī)定
5)安全控制邏輯

結構技能提高路線圖
學習項目主要學習內(nèi)容(從實踐到規(guī)范,從規(guī)范到實踐)

結構可靠控制
1、荷載可靠度:荷載取值、荷載分項系數(shù)、荷載組合與發(fā)生概率的
關系;各種不同荷載如何取值,特殊條件下工程師如何考慮調(diào)整。
解決問題:任意給定的荷載如何取規(guī)定可靠度下設計值,對任意結構的部位如何取最不利工況。
2、材料可靠度:材料承載力取值有多大的可靠度;不同的荷載下的對應的材料可靠度要求;
解決問題:給定任意材料如何取規(guī)定可靠度下設計值
3、模型可靠度:計算模型參數(shù)與實際不一致,包括:結構布置、連接、結構破壞行為;
4、邊界條件可靠性:土力學取值可靠度,支座可靠性

5、施工可靠度:了解結構不同的位置施工難度和修復代價,根據(jù)難度和代價,設計控制不同的余度。

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