——做结构设计，是过程在不断“试错”，但结果不允许错。
-1-
今年公司年会，增加了节目表演环节。为了让节目演出效果更好，提前进行了现场彩排。这可以提前发现不足，有针对性的进行改进。年会当天虽然没中奖，节目还是很精彩的。
类似彩排的活动还有军事演习，消防演习等。其目的都是用预演的方式来检验真实效果。话说是骡子是马，拉出来溜溜才知道。
不过有些事，就不大可能真刀真枪地进行预演。像修路搭桥建房子之类的建设工程，就做不到。一方面需要投入的人财物成本太高；另一方面不具备现实条件。你想要验证建筑的抗震性能，总不能说，来个地震试试。
那直接干行不行呢。可能还真行不通。这些项目通常关系到我们的生命财产安全。建成后出现问题，再来进行整改，那代价就太大了，这就来不得半点马虎。
那用什么方式来预演，以达到用最小试错成本，就可验证实际项目的安全可靠呢？答案是工程设计。
-2-
咱们先来看两张图片。
下图一：台北101大楼，地下5层，地上101层，高508米，目前世界排名第十一高楼（不含在建）。
下图二：金色球体（也叫风阻尼球），由41层12.5cm厚的实心钢板堆叠焊接而成。直径5.5m，重660吨。用8条直径8.9cm，长42m的钢索悬挂在101大楼的87-92楼层中央位置（大概在图一中红色箭头处）。
2015年8月8日，超强台风苏迪罗过境台北，中心最大风力达到15级。球体的摆幅达到1米，设计最大允许摆幅1.5米。你可以想象一下，当时大楼的摆动有多大。
而这个球的作用就是，当大楼受强风或地震作用时，可起到消耗能量降低大楼摆动的作用，确保大楼的安全和降低人们在大楼内的不舒适感。
如果没有这个球，台风来袭时，大楼的摆动可能会大到，以为自己是在坐海盗船。有人说它是101大楼的镇楼之宝，可谓实至名归。
101大楼，是经历过地震和台风考验的摩天大楼，可见设计的可靠性得到了验证。
那球的大小、 重量、悬挂高度怎么确定，使它发挥最大的作用呢？这就是结构设计需要考虑的问题之一了。
-3-
结构设计也是一种预演。结构工程师把项目预期要达到的实际目标，提前转化到图纸或模型中来进行验证，将问题前置，不断优化调整，用最小的试错成本得到最好的实际效果。
结构工程师需要按照预先确定的规则，运用结构计算软件，将建筑师（或业主）想要实现的建筑，搭建结构计算模型。通过不断优化调整模型，使计算结果符合国家规范要求，确保主体结构的安全可靠。最终将计算结果，用工程语言，以图纸的形式表达出来。
如果能做到，从预想结构（想要实现的建筑）到计算模型；从计算模型到设计图纸；从设计图纸到真实结构，整个过程中的抽像，简化，假定，实施的一致性，才能最大程度的实现设计与实际的吻合。设计才算是完成了这项预见性的工作，并发挥其预演的有效性，如101大楼里的球体摆动幅度，早已在工程师的预期之内。
-4-
怎么来确保结构设计预演作用的有效性呢，我想大概有这么几点：
第一，成熟的理论体系。结构设计是一门关于材料和力学的运用技术。
1687年牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，提出了三大运动定律，建立了经典力学理论体系。其运用范围可覆盖整个工程领域。从天体运行轨道的计算，到结构工程的受力分析；从航天工程到机械工程等，均少不力学理论的支撑。
在牛顿同时代提出的胡克定律，也是材料学最基础的定律。这些理论都非常成熟，属于物理学范畴，都经过严密论证。几百年过去了，我们今天依然利用它们来建造超级工程，比如港珠澳大桥，大兴机场等。
第二，对规范的透彻理解。规范是大量科研成果和工程实践经验的全面总结，是具有可操作性的设计指南。如荷载取值，包括活载，风载，地震等，规范中提供的数据或参数，都是经过大量的实验和历史数据统计得出来的，具有很高的可信度，最大程度的反应实际情况。
第三，合理的简化与假定。在没有计算机以前，手算的能力是有限的。结构计算通常会进行简化，比如三维的结构简化成二维的。在进行方案设计的时候，也尽可能将建筑的平面立面做的比较规整，这样便于后面的计算。即便现在用计算软件，在结构计算中依然会用到假定，如刚性楼板等。
合理的简化和假定，是计算结果可靠的前提。
09年，我们做的一个摩洛哥项目，里面有一个石灰石破碎车间，由地下结构和上部钢结构组成。地下部分较复杂，平面布置也不规则，最大埋深达到17.4m,上部钢结构带50t吊车。
当时没有用到像Midas或者SAP2000这样的有限元计算软件。而是通过简化，把整体结构进行了拆分。拆分为单块板或墙来进行计算。后来咨询公司图审的时候，就提出来需要进行整体建模计算。认为这种简化计算可能会忽略一些影响结构安全的因素。
现在做类似结构，我们可以用SAP2000或MIDAS建模计算，就可做更精确的计算。任何一个构件，在任一组合工况下的计算，都可以得到相对精确的计算结果。
第四，透彻理解软件计算规则。既然是用计算软件来建立模型，对软件预先内置好计算规则，要有清晰的认识。建模的过程是在不断地输入数据，设定参数，计算，调整优化。计算软件并不在乎结果，它也不知道你为什么要计算。它就像你手中“双节棍”，是用来防身还是自残，全在你使用的熟练程度。
第五，对结构所要面对的一切挑战要感同身受。在建模时，并不存在一个真实的结构。结构工程师要有一种把自己当成是结构本身的能力，结构将来会经历什么，处在什么样的环境中，将会怎样被建造出来，都非常清晰的认识与理解。
比如，我们在计算组合楼板的时候，模型中的混凝土板是有强度和刚度的。可施工时，在浇筑混凝土的过程中它是没有强度。如果不能对这些差异做正确的处理，计算的结果就可能会出现错误。
结构经历着风霜雨雪，四季轮回。结构工程师要能像《牵手》里唱的一样去做的话，（因为路过你的路，因为苦过你的苦；所以快乐着你的快乐，追逐着你的追逐。）做设计时就能考虑的更周全。
第六，从计算到图纸的一致性。计算仅仅提供结构是否安全可靠的结论，最终用于建造的是施工图。只有把计算结果，原汁原味的的反应到设计图纸中，将来建造出来的结构才会和模型计算的结果接近。就好像学做人，要人前人后一个样。
举个例子，我们经常在计算模型中，会将柱端或梁设置为铰接进行计算。那做施工图设计的时候，梁端或柱端的连接做法，也要能实现铰接的功能，才能使实际与模型一致，如下图中桁架的支座处理，就是因为模型中就是这样设置约束条件的。
-5-
以上六点有利于结构设计更好的发挥预演功效，真正的做到用最小的试错成本，得到最好的实际效果。
搞工程，需要应用科学定律，系统化的预见性地解决现实问题。理论是有限的，必须结合实践。能把《皇帝内经》和《本草纲目》倒背如流的人，不意味着就会给人治病。结构设计也一样，想要编好预演的剧本（图纸），也离不开身经百战。