【日常科普】独一无二的建筑设计，如何保证其安全性？

斌宝宝

独一无二的建筑设计，如何保证其安全性？



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。http://static.video.qq.com/TPout.swf?vid=i0166p31lzg&width=500&height=375&auto=0&auto=1
（这里是24秒预告，感兴趣的话可以自行到youku上看完整版）

作者：猪小宝
来源：知乎
著作权归作者所有说在后面
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。



文章转自：公众号suke-tumuxiehui