结构工程师如何实现建筑结构的科学优化设计?

相关推荐：2019年二级结构工程师考试成绩查询时间|入口汇总

2019年湖南二级注册结构工程师考试成绩查询时间暂未公布，“ 免费预约短信提醒”，即可及时收到湖南2019年结构工程师成绩查询时间等考试信息。成绩查询预计在12月下旬。具体以官网公布为准。

如何实现建筑结构的科学优化设计?

A老师：这个问题有点宽泛，我试着简单回答一下：从设计的过程讲，方案优化最为重要，扩初和施工图设计的优化也很重要。从优化的类型来讲，尺寸优化、拓扑优化、布局优化、选型优化，全都优化肯定更科学;从结构的时间轴来说，应该综合考虑初始投资和未来损失，即全寿命优化;从结构的空间域来看，结构处于更大系统范围内，应该进行全系统优化。另外，咱们这个群的另一个主题是“性能化设计方法”，我个人以为：性能化设计方法，更为理想的目标应该加一个“优”字，即“性能优化设计方法”。大数据和人工智能时代，实现建筑结构科学优化设计的手段可以更加丰富：人工智能+数据科学+机器学习+云计算+...;BIM+智能设计+虚拟设计+并行设计+协同设计+…

B老师： 我其实一直有个想法，楼房结构设计千百年来基本原理很简单A>B而已，材料未有革新基本东西不会变，如果有海量的设计信息数据，多少面积，多高体量，在什么位置的结构对应什么具体尺寸，周期，要多少柱子多少墙完全是可以直接归纳出来的，只要数据量足够，得出的结论就会足够准，相当于统计量化很多老工程师看一眼就知道怎么弄的经验、完全不需要花时间再设计什么。

C老师：让建筑类学科的人都解放出来。

D老师：若真能实现其实是大量土木从业人员要失业的一天。

E老师：我个人认为：大数据和人工智能永远(至少近百年)不会取代人类，大数据和人工智能只能代替繁琐的重复性劳动，而结构设计始终是人类的一种创造性劳动，这种创造性，再怎么样智能的设计恐怕也无从实现;创造性劳动也是一种小数据活动;所以，未来的结构设计会朝着“更加科学的优化设计”方向发展，而“更加科学”，一定是具有创造性的。不必担心失业，永远学习倒是必须的。

F老师：未来将是两类职业有吸引力，一个是创意行业，一个是可以实现大量复制的行业。其他行业不会消失，但是获得会比较艰苦。土木行业就是这样，创意不足，又不能复制，会越来越艰苦。

G老师：对于基于规范(prescriptive)的设计方法，我觉得现在已经半自动化了。

H老师：土木行业被人工智能取代是大概率事件。

I老师：土木工程师在顽强抵制新技术的过程中生活变得……

J老师：您刚才提到的优化的几个维度非常好，很全面。结构设计其实可以有很大的创新空间，但是比如按现在高层来说，如果都是归到几个规范已有的体系，然后按规范设计，或者按现在的超限要求处理，都已经形成套路就容易自动化了。

K老师：我觉得具有跨界能力的链接者这个行业也会发展的更好，未来是积木式创新的时代，长板和长板合作，链接者就是把长板绑到一起的那根铁丝，就像我们工程管理，现在已经囊括了从工程立项、融资、设计、建设的各个阶段，似乎现在的工程管理也是土木行业中采用新技术最多的一块。

L老师：言归正传，认真说一下我的观点：我认为未来土木工程最终走向少数创意和综合能力强的杰出工程师+高性能的自动化出图工具+大量低工资低端劳动群体。

M老师：主要是多数正常民用建筑结构都是很规整套路化的。套路化理论上讲就可以自动化实现，只是中间用的方法不尽相同。

N老师：争当杰出工程师。

O老师：未来小的设计院，肯定就不复存在了，小型的常规结构由人工智能设计也是一个概率事件。

P老师：就像现在硅谷的高科技公司一样：少数拿着高工资的技术精英+大量自动化工具+海量的低工资外包客服电话接线员等等。

Q老师：我的想法倒未必小设计院就会消失，倒是人力密集型的设计院可能会消失。小而创意性的设计单位会获得很好。大而综合技术力量强的也会有自己的定位。血拼施工图价格的无论大小都会死掉。

R老师：随着设计工厂的出现，大设计院也将不复存在。

S老师：因为设计院其实很多样的，除了民用设计院还有专业设计院，很多工艺配合的事情需要很强的综合能力，这个还暂时取代不了。

T老师：创意公司肯定会存在，影响普通设计院前途的因素还有：建筑产品的非标准化，业主方不停的改，PPP和EPC，施工单位并购设计院…

U老师：我觉得最终还是市场因素会占主导，这些年土木行业招生每况愈下，就是市场引导的效果。

V老师：目前的工业设计院是中国从前苏联搬来的模式，西方没有这种设计院，而是以设备供货商为主体的产品设计供货一体化公司，如目前我国的锅炉行业已釆用这种模式。

W老师：我们钢铁行业的设计院处于这个过程的转型中。

X老师：在数字技术推动下，单考虑结构设计可能不全面。不知道做设计的同行有没有机制看到具体的钱(人工)花在哪里，哪里是最多?

Y老师：所以我一直觉得这个是土木行业最悲哀的事情，收入低，还技术进步慢。

Z老师：我也有同样感受。技术门槛比较低(和航空业比)，新技术推动确实比较难。

AA老师：技术进步慢，必然收入低。大家都会的东西，必然是微利。

AB老师：自采用计算机后，设计效率提高了，结果设计院变成血汗工厂，现在项目没有那么多了，钱不是那么容易赚了，自己作死自己。但有特点小而精的专业公司会更好的生存。

AC老师：事务所型。

AD老师：同意，即使工厂，没有创新也会死。

AE老师：不能让计算机背锅啊。

AF老师：计算机对全人类的影响都是颠覆性的，只是有些行业彻底拥抱了新技术，脱胎换骨。土木这些行业磨磨蹭蹭，所以生产效率下降，收入降低。

AG老师：记得前些年都是优秀的学生优先考虑设计院，现在这种情况反转了。

AH老师：在设计效率提升方面应该有三个层次，第一管理(各方协同)，第二具体设计，第三工程师能力。对于第一点，需要数字化协同平台提高沟通效率，对于第二点采用新技术，从优化技术到智能设计技术，第三点工程师工具掌握和编程能力。随着大数据库的建立，人工智能替代了现在三点，只剩下一些创意。

AI老师：现在欧洲的很多工程师已经在实践通过将建筑用结构美学表达出来，对技术本身的关注做到够用就好。这当然对工程师的要求就更高了，西方美学是欧洲人从小耳濡目染的，但对亚洲工程师来说相对会陌生一些。不过倒是给我们未来提供一个方向，感性的东西越多，被人工智能取代的危险越小。

AJ老师：任何东西都是市场决定的，土木不热门了，自然干的就少了，但这行有个好处，越老越值钱。像老中医一样，不是有很多大师和老老师，计算机就不行。

AK老师：土木工程是个古老和缓慢变革的行业，基本算少数几个涉及的因素最多和影响人群最多的行业。受自然资源 和地理环境， 市场中目标人群爱好和政府政策，各个相关专业的技术上实现能力，各个市场主体的竞争策略，各个地方各个人群的需求等等各方面因素制约。因此这个行业，要出点革命性的技术进步确实挺难的。

AL老师：结构的科学优化设计在于如何提高个性化建筑的结构效率,每一个建筑结构都有自己的独特性,所以结构设计这个行业较难被人工智能和大数据代替。

AM老师：量大面广的高层住宅设计被AI取代应该是早晚的事!就看有没有IT类公司愿意涉足这个市场。

AN老师：不予盾，这个行业经验比计算机更重要，计算机是辅助。你什么时候看到设计院总工有很年轻的。计算机可以，你的数学好，有新的技术就可以。经验不是主要的。

AO老师：我认为结构设计的两个方面是人工智能和大数据不能代替的，千差万别的基础,富有效率的个性化结构,这是个性化建筑的唯一性所决定的。建筑是凝固的音乐，建筑师和人们对美的追求决定了结构设计行业的永生。

AP老师：我从设计层面谈一下空间结构的优化设计问题，应属于方案阶段的结构体系优化。我把空间结构的生成方式分为四类：格构化、空间形变、组合生成、仿生生成。这四种生成方式其实也是空间结构有力的优化工具。能跨越一定跨度和覆盖一定面积的最基本结构单元是一维的梁和二维的板，那我就从梁、板开始简单谈一下优化思路。对于梁：当梁跨度较大时，梁高会比较高，自重会比较大，我们可以通过格构化的方式生成自重更轻的桁架，或者通过空间形变生成拱，拱可以进一步格构化生成拱桁架。梁也可以和索、杆一块组合生成弦支梁(大家好像习惯叫张弦梁)，拱可以和索一块组合生成索拱结构，拱也可以和索、杆一块组合生成弦支拱。在组合生成的结构体系中，梁、拱均可以被其格构化生成的子型替换(既可生成弦支桁架、弦支拱桁架)。对于板：当板跨度较大时，板会比较厚，为了减轻结构自重我们可以进行格构化生成空心板，进一步格构化生成井字梁(与空心板相比少了腔体底板)，进一步格构化生成网架。或者建筑空间允许的话，板可以通过空间形变生成球壳、筒壳、折板壳等(空间形变要遵守拓扑等价原则，要不然有可能和格构化混淆)，这些壳体均可以进一步格构化生成相对应的空间网格结构。当然这些生成体也可以和索、杆组合生成多种多样更高效的结构体系(比如弦支板、弦支网架、弦支网壳等等)。在构建结构体系的过程中，我们只需要问自己三个问题：1、该结构还能否进一步格构化? 2、还是否有形变的可能? 3、还能不能和其他结构单元进一步组合?往往三个问题过后，就有可能让我们的结构体系更加高效、轻盈。(通过一系列的实践发现该方法还是比较有效的)。

AQ老师：还需要考虑施工难度和节点性能的保证。越网格化，节点越多。

AR老师：当前AI方向的结构优化多逐渐离散化的优化过程，您这里是随跨度增加离散程度增加，还有的情况是边界条件确定后，将低效(比如低应力)的单元剔除，这些都有可能掉进“贪心算法”的陷阱。

AS老师：“贪心算法”的陷阱都能引起哪些问题?

AT老师：单步看都是优化，最终的结果可能“意外”，一个不恰当的例子打台球，每一步都打最容易进的球。

AU老师：结构体系选择的时候是需要平衡结构效率和施工难度的问题。

AZ老师：对您的方法补充两点：1.这种考虑是先布置好了结构单元再对结构单元进行优化。结构单元的布置优化可以用拓扑优化的方法。梁和板没有绝对的分界，可以统一。结构单元是工业化生产的产物，在数字化设计和3D打印的将来定义可能模糊;2.优化有约束，是尺寸、强度、刚度还是稳定。在高层设计中经常是梁高受限，因为净高控制。索等预应力构件是把强度转化成刚度，从而改变了约束条件。如何能统一在优化算法里也很有意思。

AW老师：非常同意您对梁板没有绝对分界的看法。在连续体拓扑优化中所有基于杆件的分别都消弥了。

以上内容为：结构工程师如何实现建筑结构的科学优化设计?查看更多免费资料，点击免费下载>>>结构工程师试题/考点精华/2019真题答案。