結(jié)構(gòu)工程師如何實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的科學優(yōu)化設計?

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如何實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的科學優(yōu)化設計?

A老師：這個問題有點寬泛，我試著簡單回答一下：從設計的過程講，方案優(yōu)化最為重要，擴初和施工圖設計的優(yōu)化也很重要。從優(yōu)化的類型來講，尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化、選型優(yōu)化，全都優(yōu)化肯定更科學;從結(jié)構(gòu)的時間軸來說，應該綜合考慮初始投資和未來損失，即全壽命優(yōu)化;從結(jié)構(gòu)的空間域來看，結(jié)構(gòu)處于更大系統(tǒng)范圍內(nèi)，應該進行全系統(tǒng)優(yōu)化。另外，咱們這個群的另一個主題是“性能化設計方法”，我個人以為：性能化設計方法，更為理想的目標應該加一個“優(yōu)”字，即“性能優(yōu)化設計方法”。大數(shù)據(jù)和人工智能時代，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)科學優(yōu)化設計的手段可以更加豐富：人工智能+數(shù)據(jù)科學+機器學習+云計算+...;BIM+智能設計+虛擬設計+并行設計+協(xié)同設計+…

B老師： 我其實一直有個想法，樓房結(jié)構(gòu)設計千百年來基本原理很簡單A>B而已，材料未有革新基本東西不會變，如果有海量的設計信息數(shù)據(jù)，多少面積，多高體量，在什么位置的結(jié)構(gòu)對應什么具體尺寸，周期，要多少柱子多少墻完全是可以直接歸納出來的，只要數(shù)據(jù)量足夠，得出的結(jié)論就會足夠準，相當于統(tǒng)計量化很多老工程師看一眼就知道怎么弄的經(jīng)驗、完全不需要花時間再設計什么。

C老師：讓建筑類學科的人都解放出來。

D老師：若真能實現(xiàn)其實是大量土木從業(yè)人員要失業(yè)的一天。

E老師：我個人認為：大數(shù)據(jù)和人工智能永遠(至少近百年)不會取代人類，大數(shù)據(jù)和人工智能只能代替繁瑣的重復性勞動，而結(jié)構(gòu)設計始終是人類的一種創(chuàng)造性勞動，這種創(chuàng)造性，再怎么樣智能的設計恐怕也無從實現(xiàn);創(chuàng)造性勞動也是一種小數(shù)據(jù)活動;所以，未來的結(jié)構(gòu)設計會朝著“更加科學的優(yōu)化設計”方向發(fā)展，而“更加科學”，一定是具有創(chuàng)造性的。不必擔心失業(yè)，永遠學習倒是必須的。

F老師：未來將是兩類職業(yè)有吸引力，一個是創(chuàng)意行業(yè)，一個是可以實現(xiàn)大量復制的行業(yè)。其他行業(yè)不會消失，但是獲得會比較艱苦。土木行業(yè)就是這樣，創(chuàng)意不足，又不能復制，會越來越艱苦。

G老師：對于基于規(guī)范(prescriptive)的設計方法，我覺得現(xiàn)在已經(jīng)半自動化了。

H老師：土木行業(yè)被人工智能取代是大概率事件。

I老師：土木工程師在頑強抵制新技術的過程中生活變得……

J老師：您剛才提到的優(yōu)化的幾個維度非常好，很全面。結(jié)構(gòu)設計其實可以有很大的創(chuàng)新空間，但是比如按現(xiàn)在高層來說，如果都是歸到幾個規(guī)范已有的體系，然后按規(guī)范設計，或者按現(xiàn)在的超限要求處理，都已經(jīng)形成套路就容易自動化了。

K老師：我覺得具有跨界能力的鏈接者這個行業(yè)也會發(fā)展的更好，未來是積木式創(chuàng)新的時代，長板和長板合作，鏈接者就是把長板綁到一起的那根鐵絲，就像我們工程管理，現(xiàn)在已經(jīng)囊括了從工程立項、融資、設計、建設的各個階段，似乎現(xiàn)在的工程管理也是土木行業(yè)中采用新技術最多的一塊。

L老師：言歸正傳，認真說一下我的觀點：我認為未來土木工程最終走向少數(shù)創(chuàng)意和綜合能力強的杰出工程師+高性能的自動化出圖工具+大量低工資低端勞動群體。

M老師：主要是多數(shù)正常民用建筑結(jié)構(gòu)都是很規(guī)整套路化的。套路化理論上講就可以自動化實現(xiàn)，只是中間用的方法不盡相同。

N老師：爭當杰出工程師。

O老師：未來小的設計院，肯定就不復存在了，小型的常規(guī)結(jié)構(gòu)由人工智能設計也是一個概率事件。

P老師：就像現(xiàn)在硅谷的高科技公司一樣：少數(shù)拿著高工資的技術精英+大量自動化工具+海量的低工資外包客服電話接線員等等。

Q老師：我的想法倒未必小設計院就會消失，倒是人力密集型的設計院可能會消失。小而創(chuàng)意性的設計單位會獲得很好。大而綜合技術力量強的也會有自己的定位。血拼施工圖價格的無論大小都會死掉。

R老師：隨著設計工廠的出現(xiàn)，大設計院也將不復存在。

S老師：因為設計院其實很多樣的，除了民用設計院還有專業(yè)設計院，很多工藝配合的事情需要很強的綜合能力，這個還暫時取代不了。

T老師：創(chuàng)意公司肯定會存在，影響普通設計院前途的因素還有：建筑產(chǎn)品的非標準化，業(yè)主方不停的改，PPP和EPC，施工單位并購設計院…

U老師：我覺得最終還是市場因素會占主導，這些年土木行業(yè)招生每況愈下，就是市場引導的效果。

V老師：目前的工業(yè)設計院是中國從前蘇聯(lián)搬來的模式，西方?jīng)]有這種設計院，而是以設備供貨商為主體的產(chǎn)品設計供貨一體化公司，如目前我國的鍋爐行業(yè)已釆用這種模式。

W老師：我們鋼鐵行業(yè)的設計院處于這個過程的轉(zhuǎn)型中。

X老師：在數(shù)字技術推動下，單考慮結(jié)構(gòu)設計可能不全面。不知道做設計的同行有沒有機制看到具體的錢(人工)花在哪里，哪里是最多?

Y老師：所以我一直覺得這個是土木行業(yè)最悲哀的事情，收入低，還技術進步慢。

Z老師：我也有同樣感受。技術門檻比較低(和航空業(yè)比)，新技術推動確實比較難。

AA老師：技術進步慢，必然收入低。大家都會的東西，必然是微利。

AB老師：自采用計算機后，設計效率提高了，結(jié)果設計院變成血汗工廠，現(xiàn)在項目沒有那么多了，錢不是那么容易賺了，自己作死自己。但有特點小而精的專業(yè)公司會更好的生存。

AC老師：事務所型。

AD老師：同意，即使工廠，沒有創(chuàng)新也會死。

AE老師：不能讓計算機背鍋啊。

AF老師：計算機對全人類的影響都是顛覆性的，只是有些行業(yè)徹底擁抱了新技術，脫胎換骨。土木這些行業(yè)磨磨蹭蹭，所以生產(chǎn)效率下降，收入降低。

AG老師：記得前些年都是優(yōu)秀的學生優(yōu)先考慮設計院，現(xiàn)在這種情況反轉(zhuǎn)了。

AH老師：在設計效率提升方面應該有三個層次，第一管理(各方協(xié)同)，第二具體設計，第三工程師能力。對于第一點，需要數(shù)字化協(xié)同平臺提高溝通效率，對于第二點采用新技術，從優(yōu)化技術到智能設計技術，第三點工程師工具掌握和編程能力。隨著大數(shù)據(jù)庫的建立，人工智能替代了現(xiàn)在三點，只剩下一些創(chuàng)意。

AI老師：現(xiàn)在歐洲的很多工程師已經(jīng)在實踐通過將建筑用結(jié)構(gòu)美學表達出來，對技術本身的關注做到夠用就好。這當然對工程師的要求就更高了，西方美學是歐洲人從小耳濡目染的，但對亞洲工程師來說相對會陌生一些。不過倒是給我們未來提供一個方向，感性的東西越多，被人工智能取代的危險越小。

AJ老師：任何東西都是市場決定的，土木不熱門了，自然干的就少了，但這行有個好處，越老越值錢。像老中醫(yī)一樣，不是有很多大師和老老師，計算機就不行。

AK老師：土木工程是個古老和緩慢變革的行業(yè)，基本算少數(shù)幾個涉及的因素最多和影響人群最多的行業(yè)。受自然資源 和地理環(huán)境， 市場中目標人群愛好和政府政策，各個相關專業(yè)的技術上實現(xiàn)能力，各個市場主體的競爭策略，各個地方各個人群的需求等等各方面因素制約。因此這個行業(yè)，要出點革命性的技術進步確實挺難的。

AL老師：結(jié)構(gòu)的科學優(yōu)化設計在于如何提高個性化建筑的結(jié)構(gòu)效率,每一個建筑結(jié)構(gòu)都有自己的獨特性,所以結(jié)構(gòu)設計這個行業(yè)較難被人工智能和大數(shù)據(jù)代替。

AM老師：量大面廣的高層住宅設計被AI取代應該是早晚的事!就看有沒有IT類公司愿意涉足這個市場。

AN老師：不予盾，這個行業(yè)經(jīng)驗比計算機更重要，計算機是輔助。你什么時候看到設計院總工有很年輕的。計算機可以，你的數(shù)學好，有新的技術就可以。經(jīng)驗不是主要的。

AO老師：我認為結(jié)構(gòu)設計的兩個方面是人工智能和大數(shù)據(jù)不能代替的，千差萬別的基礎,富有效率的個性化結(jié)構(gòu),這是個性化建筑的唯一性所決定的。建筑是凝固的音樂，建筑師和人們對美的追求決定了結(jié)構(gòu)設計行業(yè)的永生。

AP老師：我從設計層面談一下空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計問題，應屬于方案階段的結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化。我把空間結(jié)構(gòu)的生成方式分為四類：格構(gòu)化、空間形變、組合生成、仿生生成。這四種生成方式其實也是空間結(jié)構(gòu)有力的優(yōu)化工具。能跨越一定跨度和覆蓋一定面積的最基本結(jié)構(gòu)單元是一維的梁和二維的板，那我就從梁、板開始簡單談一下優(yōu)化思路。對于梁：當梁跨度較大時，梁高會比較高，自重會比較大，我們可以通過格構(gòu)化的方式生成自重更輕的桁架，或者通過空間形變生成拱，拱可以進一步格構(gòu)化生成拱桁架。梁也可以和索、桿一塊組合生成弦支梁(大家好像習慣叫張弦梁)，拱可以和索一塊組合生成索拱結(jié)構(gòu)，拱也可以和索、桿一塊組合生成弦支拱。在組合生成的結(jié)構(gòu)體系中，梁、拱均可以被其格構(gòu)化生成的子型替換(既可生成弦支桁架、弦支拱桁架)。對于板：當板跨度較大時，板會比較厚，為了減輕結(jié)構(gòu)自重我們可以進行格構(gòu)化生成空心板，進一步格構(gòu)化生成井字梁(與空心板相比少了腔體底板)，進一步格構(gòu)化生成網(wǎng)架?；蛘呓ㄖ臻g允許的話，板可以通過空間形變生成球殼、筒殼、折板殼等(空間形變要遵守拓撲等價原則，要不然有可能和格構(gòu)化混淆)，這些殼體均可以進一步格構(gòu)化生成相對應的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。當然這些生成體也可以和索、桿組合生成多種多樣更高效的結(jié)構(gòu)體系(比如弦支板、弦支網(wǎng)架、弦支網(wǎng)殼等等)。在構(gòu)建結(jié)構(gòu)體系的過程中，我們只需要問自己三個問題：1、該結(jié)構(gòu)還能否進一步格構(gòu)化? 2、還是否有形變的可能? 3、還能不能和其他結(jié)構(gòu)單元進一步組合?往往三個問題過后，就有可能讓我們的結(jié)構(gòu)體系更加高效、輕盈。(通過一系列的實踐發(fā)現(xiàn)該方法還是比較有效的)。

AQ老師：還需要考慮施工難度和節(jié)點性能的保證。越網(wǎng)格化，節(jié)點越多。

AR老師：當前AI方向的結(jié)構(gòu)優(yōu)化多逐漸離散化的優(yōu)化過程，您這里是隨跨度增加離散程度增加，還有的情況是邊界條件確定后，將低效(比如低應力)的單元剔除，這些都有可能掉進“貪心算法”的陷阱。

AS老師：“貪心算法”的陷阱都能引起哪些問題?

AT老師：單步看都是優(yōu)化，最終的結(jié)果可能“意外”，一個不恰當?shù)睦哟蚺_球，每一步都打最容易進的球。

AU老師：結(jié)構(gòu)體系選擇的時候是需要平衡結(jié)構(gòu)效率和施工難度的問題。

AZ老師：對您的方法補充兩點：1.這種考慮是先布置好了結(jié)構(gòu)單元再對結(jié)構(gòu)單元進行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)單元的布置優(yōu)化可以用拓撲優(yōu)化的方法。梁和板沒有絕對的分界，可以統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)單元是工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)物，在數(shù)字化設計和3D打印的將來定義可能模糊;2.優(yōu)化有約束，是尺寸、強度、剛度還是穩(wěn)定。在高層設計中經(jīng)常是梁高受限，因為凈高控制。索等預應力構(gòu)件是把強度轉(zhuǎn)化成剛度，從而改變了約束條件。如何能統(tǒng)一在優(yōu)化算法里也很有意思。

AW老師：非常同意您對梁板沒有絕對分界的看法。在連續(xù)體拓撲優(yōu)化中所有基于桿件的分別都消彌了。

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