有些建筑是独一无二的设计,不像软件可以模拟测试,也无历史参考,那要如何保证其安全性?

其实几乎每栋建筑都是独一无二的设计,极少数的例外是一个大型小区里的若干栋一模一样的住宅楼。但即使是一模一样的住宅楼,可能地基情况还不太一样。
我想,这个问题的主旨应该是,对于环球金融中心、上海中心、CCTV新楼、鸟巢等等这些没有先例、难度极大的新颖设计,如何保证它们的结构安全性能?
基本的设计理论我就不说了,什么伸臂桁架啊巨型柱啊,说了大家也没兴趣。我就大概对这些高难度结构的设计手段做一点科普性的基本介绍吧。
1. 计算机模拟
计算机是工程师的忠实帮手,现在的有限元分析软件已经可以很好的模拟结构性能,让这些建筑物在数字化的虚拟世界里先经受一下地震和台风的洗礼。
结构设计的初始条件已知(尺寸、相对位置),材料属性已知(钢材、混凝土的力学属性),力学原理已知,外部荷载已知(地震、风、温度、使用荷载),通过SAP2000,ETABS,Midas 等有限元分析设计软件,完全可以预测结构在预定荷载下的表现。
上图为CCTV新楼的SAP2000模型。
上图为计算机分析得到的CCTV新楼的结构振型。
当然,软件营造的虚拟世界和现实是有差异的,所以《高层建筑混凝土结构技术规程》还专门规定

体型复杂、结构布置复杂以及B级高度高层建筑结构,应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。

所谓的B级高度,简单理解就是特别高的那一类超高层建筑。对于这些结构设计,要至少采用两种以上的软件计算,互相校核,尽量减少软件的误差和错误。
2.振动台试验
结构也可以像软件一样模拟测试的,只不过不是真的全尺寸的结构,而是缩尺后的结构模型。把结构模型放到振动台上,按照以往历次地震记录下的地震波,让振动台上下左右震动,为结构模型营造出一次真正的地震。通过这样的试验,可以验证计算机模拟的准确性,也可以了解结构的地震响应情况。
上图为我在同济大学振动台试验室拍摄的振动台模型。上方为世博会中国馆,左下为环球金融中心,右下为上海中心。
3.风洞试验
振动台试验测试结构对地震的响应,而风洞试验则测试结构对风的响应。在航空、汽车等领域,风洞试验很普遍。对于这些特殊结构的抗风设计,风洞试验同样是不可或缺的一环。
上图为北京交通大学风洞实验室做的鸟巢风洞试验。上侧为实际的风洞模型照片,不仅要包括鸟巢本身,还要包括鸟巢周边的建筑物,以便模拟相邻建筑物的互相影响。下侧为试验测得的鸟巢顶部各部位的风压体型系数。
4.关键部位的分析和试验
经过计算机分析后,对于极其关键的部位还要做进一步的分析和试验。包括计算机的有限元模拟、大比例甚至一比一比例的结构模型试验。
上图武汉大学结构检测公司的一个关键梁柱连接部位的分析。左边是实验室里的大比例模型试件,右边是有限元软件的分析结果。
上图是同济大学实验室做的世博会阳光谷的关键节点的大比例试件。

如果想要进一步了解复杂建筑设计和建造的全过程,我推荐可以看一下美国国家地理的这部纪录片:伟大工程巡礼之北京水立方。这部纪录片记录了水立方计算机模型的建立、各种试验、关键部位(表皮钢架和膜结构)的大比例模型试验。举一反三,相信看了水立方的设计过程,你对其它高难度建筑的设计过程也会有一定的认识和了解。
伟大工程巡礼:北京水立方 程序流 PS:题目中提到的地面开裂、水管爆裂并不是影响结构安全的关键性问题。高层建筑旁边的地面沉降基本是不可避免的,上海陆家嘴地区位于软土之上,更是如此。这些问题可以靠改进设备管道系统,比如水管采用柔性接头等措施来改善。

PS:没想到有这么多知友关注这个问题,我就再多说几句吧。
最近各种工程事故频发,我想这也是大家关注这一类问题的原因。我正在看一本日本结构工程师们的演讲合集《充满生机的技术》,日本同行们的一段话深得我心:

我们还期待这本书能超越科技书籍的范围…让普通大众知道,在与满足于有形无实的制度、对名利无休无止的追逐完全背道而驰的地方,有很多人每天都在群策群力,对技术进行着反复的思考和实践。

这也是我想说的话,有很多问题是工程师们无力改变的,但至少在力所能及的范围内,有很多工程师在认认真真的做事。我想,这也是我回答这个问题的一个小小的意义吧。

— 完 —

本文作者:猪小宝

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