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既然有结构设计软件了,为什么还要在大学里学习力学、混凝土结构这些专业课

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发表于 2014-5-5 23:05:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
目前的国内市场,以 PKPM 为代表的大型设计软件应用非常普遍,设计师的作用在逐渐淡化。甚至有人认为,哪怕没有学习过专业课程,只要培训一段时间,一样可以用软件做结构设计。事实上,也的确有很多设计师是半路出家、没学过力学、只学过软件操作的。
既然培训一下软件操作就能做结构设计,那大学里学习各种专业课的意义又在哪里?
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:06:08 | 显示全部楼层
算是自问自答吧,请原谅我絮叨一点。

在科幻小说界的传世巨著《基地》三部曲中,阿西莫夫描绘了一幅很巧妙却又很意味深长的画面。基地,地盘小,武装弱,但却在虎视眈眈的强权势力中游刃有余,甚至某种意义上,是基地凌驾于这些强权势力之上。基地对周边势力的控制,靠的不是大炮巨舰的武力威慑,也不是给钱给物的经济贿赂,而是靠着穿了“宗教”马甲的“科技”。

基地为周边强大而又蛮荒的强权势力提供科技援助,免费且热情,比如核电技术和生物医学技术。然而,这些科技援助被有意的“伪装”成“宗教”。其它势力的所有技术人员都要到基地接受培训,基地教给他们的只是如何操作这些高技术设备,而不会教给他们背后的原理。事实上,这些技术人员被叫做“教士”。对于他们而言,基地教给他们的不是科学技术,而是宗教;他们也不是来基地学习,而是来“朝圣”;操作核电站也并不是在操作核电站,而是在以神圣的不可改变的仪式来侍奉“科学神殿”里的“神圣力量来源”。如果他们操作错了,核电装置坏了,对他们而言则是他们的神圣仪式出了差错、不够虔诚,所以神发怒了。同样,基地的先进药物都是神的恩赐,如果不按照神的旨意服用,那么也会得到神的惩罚,比如病治不好或者副作用。对于周边的强权势力来说,基地并不是科学援助的来源,而是神灵的所在,上天眷顾之所。

当然,我们能在阿西莫夫的描写中看到历史上罗马天主教廷的影子。但同样,我觉得《基地》也揭示了现代技术与从业人员之间的微妙关系。我们知道我们自己在干什么吗?我们在一步一步的使用设计软件的时候,知道它具体的原理吗?如果不知道的话,我们跟这些基地培养的科学“教士”有什么区别?

一定程度上,没有什么区别。我们就是结构设计“教士”。有限元软件就是我们神庙里的神谕,规范就是我们神庙里的圣经。我们中的绝大多人,都是在依靠黑箱子里出来的神谕活着;我们中的绝大多数人,终其一生也不会走出圣经所规定的那个圈圈。“规范就是这么说的”和“软件算过去了就行”,嗯哼,“圣经就是这么说的”和“按照神谕做就行”,这就是我们结构设计师的两大信条。什么?神谕里面是什么样子的?圣经为什么是这样的?你管呢!

也许这就是为什么像阿西莫夫这样的人会认为技术可能会反过来阻碍人类社会的发展:我们有可能沦为高技术的奴隶。久而久之,当年的技术资料终将被埋在历史的垃圾堆里,科技也将沦为宗教。到那时候,没有人会明白神谕的含义,没有人会明白圣经的来源。人类的命运不再属于我们自己,而是属于这些古老却顽固的神谕和圣经。

我并不是危言耸听,如果所谓的结构设计师只是一个机械的执行规范、图集、有限元软件的人肉批处理程序的时候,我们离危险也就不远了。规范里就是这么规定的,所以我遵守就行了。结果呢?汶川地震的时候,有几个框架真正做到了“强柱弱梁”?图集里楼梯就是这么配筋的,所以我比着做就行了。结果呢?汶川地震的时候多少楼梯被生生拉断?软件里没有楼梯,所以我不考虑它的影响。结果呢?有多少框架结构是因为偏心布置的现浇楼梯造成了严重的震害?

就像钢结构论坛上的马升东老师所说的,结构设计软件这个黑匣子给设计师的眼睛上蒙上了一块黑布,标准图集又是一匹瞎马,而业主的“科学发展观”又不断的催促设计师赶路,真可谓是“盲人骑瞎马,夜半临深池”!

甚至,有很多很多的结构“设计师”在直接用着 PKPM 自动生成的图纸,这都不是“盲人骑瞎马”了,简直就是“信马由缰”了。到底是谁在设计?“设计师”?还是 PKPM?当然,你可以说 PKPM 不够好,市面上有更好的。的确,比如 Midas 就看准了这个市场,推出了 Midas Building,号称可以一站式解决问题。但即使是软件再优秀,它能替代人类设计师吗?它能具有自我更新和自我纠错的能力吗?它会摆脱黑箱子吗?如果它不再是黑箱子式的神谕,它还能叫软件吗?

很不幸,就目前来看,计算机是懒惰的、愚蠢的,它们倾向于偷懒,倾向于得到平庸的回答。也许有一天,人工智能的发展会让我们拥有优秀的结构设计机器人。但至少在目前,以及未来很长一段时间内,都不会有比 Ove Arup 或者 Jorg Schlaich 更优秀的机器人设计师。没错,机器人可以在国际象棋上打败最好的人类,但我不觉得短期内机器人可以在结构设计领域胜过最好的人类,我不觉得短期内机器人会懂得结构设计的优雅和艺术。

但很明显,你我都明白,很久很久以后,机器人才可能会拥有这样的创造力。所以,在这之前,我们还是需要人类设计师,这些优雅的设计还是需要人类设计师来完成。为了做到这些,你必须得明白背后的东西,而不是只会操作。你必须像基地的自己人一样掌握科学技术,而不是像基地培训的“教士”一样只会使用不懂原理。就像一个摄影师,为了拍出好作品,就必须至少明白光圈是什么、快门是什么、ISO 又是什么。如果只会用傻瓜相机,是很难拍出好作品的,甚至还可能会因为种种原因,造成曝光失误。
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:10:07 | 显示全部楼层
傻瓜软件是给傻瓜用的,这当然是一句笑话。这里的傻瓜都是打引号的。

要不要学,力学,混凝土结构这些专业课,当然要,你们不学我就失业了。

为什么要学呢?有几个原因

1、真的有所谓的傻瓜设计软件吗?
      傻瓜软件(或者说智能设计软件,傻瓜和智能都是一回事)可以搞定所有事情吗?

我一直也幻想这有这样的智能软件,可惜现在的科技水平下,还没有。

在我的专栏文章有限元基本思想中就提到了下面的观点:
0.png
计算机没法自动帮你建立一个正确的结构有限元模型,模型需要人来正确的建立(现实中,经常人也未必能够正确建立模型),这需要力学知识。

举一个例子,一个普通的简支梁桥的验算。
一个25m跨的简支梁桥。跨度这么小的一个桥,而且是简支梁桥,按说是很好建模分析的一个桥了。但是别小看了这么一个桥,他的宽度达到了将近17m。

也就是说,这已经将近是个板了,而不是简单的梁。
这个判断,是需要力学知识的。
同时要做出另一个判断,大件车在桥中线附近通过,如计算时认为梁体完全整体受力,有可能导致结果偏于不安全。因此要先分析板的受力有效宽度,再进行验算。
目前的傻瓜软件,可不会帮你做这个判断。

在这里,我先用Ansys建立了该桥的空间分析模型,考察在车辆居中运行的时候,桥梁的空间变形情况。

然后根据变形情况,得到荷载的有效分布宽度,并得到每个箱室的荷载分配。

同时,利用桥梁博士分析平面分析中,每个箱室的横向分配系数。

在这两个基础上,选取安全的横向分配系数。

最后用Midas软件,进行验算。

这中间的每个步骤都是需要有力学知识作为判断依据的。
2.png
2、如果傻瓜软件(或者说智能设计软件,傻瓜和智能都是一回事)很牛叉叉,大部分问题都能搞定,还要不要学力学和混凝土结构。

答案是:当然要
傻瓜软件都能搞定大部分问题的前提下,我们设想一下这样一个场景:

业主要修一栋房子或者一座桥。他打开一个傻瓜软件,设定几个参数,噼噼啪啪两下搞定,图纸什么乱七八糟的东西都开始在打印机里出来了。

这时候还要设计院干啥,还要设计师干啥。
该干啥干啥,该关门的关门,该回家带孩子的带孩子。

哪些设计师不回家带孩子呢?

业主突发奇想,这里我要搞个这个新奇玩意,输入电脑,我靠,居然搞不定。
快,去找个设计师来给我看看

这个被找的设计师,就可以继续工作了。

3、规范都有错,何况傻瓜软件
一个好的结构师绝对不能拘泥于规范。我们有个很错误的观点,规范就是法律,是不可逾越的。有时候我甚至开玩笑说,规范就是用来违背的。



实际上,规范只是标准,是一直在更新的,哪条法律每隔两三年就更新一次。(关于这条,我想有时间写个专栏文章讨论一下)

规范不可迷信,傻瓜软件就更有可能错误百出了。


比起计算机或者其他专业来说,土木专业课程的设置是和实际紧密相关的,因为土木太成熟了,毕业后用的东西就是上课中学的东西,不存在学的过时的问题。

所以还是好好学吧。

 楼主| 发表于 2014-5-5 23:10:57 | 显示全部楼层
仅仅针对结构的问题来回答,不涉及设计的问题。对于结构的分析来说主要是力学问题,力学问题确实是有许多的商用软件可以使用,像Ansys这样的有限元软件是土木工程领域内可以说是常用软件了。但是这些软件可以帮助计算并不等于说计算结果就是正确的。在从实际问题到计算模型中间会有许多环节对原问题进行各种简化和假设,这些简化和假设对于使用计算机来模拟是必不可少的,但同时也是要在一定的条件下才是可行的。之所以要学习软件背后的基本理论就是为了能够正确的使用商用软件,这包括对于软件输出结果是否正确的判断以及如何在使用软件时对软件进行正确的参数选择。这些问题确实不是土木工程专业的问题,但是要想利用商用软件得到正确合理的结果是必须对软件的基本原理有所了解的,这种用于数值计算的软件是不应该被当做黑箱来使用的。
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:12:07 | 显示全部楼层
设计软件的作用是帮助人们减少不必要的重复性工作,并不能取代人的劳动。像pkpm,你随便输个什么参数,它都能给你做出来一套东西,但是参数要怎么选择、选择的正不正确,是需要人来做出判断的,软件本身并不能告诉你,结果正确与否。虽然现在设计规范已经很完善了,貌似建筑设计好像只要查查规范,用用软件就够了,但是规范只是给出了一个参照性的范围,你要按照这个范围来做,在规范之内还是有很大的调整空间的,如何做出调整,就需要依靠设计人员对原理的理解。一个好的设计,可以节约大量的人力物力,节省很多资源。
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:12:38 | 显示全部楼层
大多数结构工程师并不知道他们使用的一些数学工具为何是可靠的。所以,这里牵扯到了一个划界的问题。
这条界限可能是与软件发明之前工程师所需要掌握的知识有关。但我们不得不承认,随着软件愈发便捷,许多之前必须的知识在当今并不那么重要,尤其是与计算相关的内容。华罗庚先生曾在一篇强调计算机重要性的文章中提到他遇到的一位工程师在实战中需要解170阶的行列式。就目前的家用计算机来说,借助计算软件算出其数值非常容易。这就意味着,以线性代数作为工具的学科学生,在线性代数的学习过程中不需要掌握精细的计算方法和仅对应试有用的技巧——而目前的研究生考试中,数学科目的试题(包括微积分、线性代数和概率论)无一例外都需要一定的技巧。
在工科的基础课教学中,也存在着这样的情况。以电路原理为例,国内的教材(笔者视野范围内看到的)在最基本的直流电路计算中都介绍了多种计算方法。实际上,对于这种简单电路而言,这些计算方法的差异仅仅是计算量的大小;而对于复杂电路,这些计算方法是失效的。但在研究生考试中,这些计算方法都是必须掌握的,否则很可能因为计算量过大而难以得出答案。其他的科目中也或多或少存在着类似的情况。
所以,之前教学中所必须的为了减小实战中计算量而发明的方法和技巧应该被时代淘汰。所以我觉得题主的问题并不完善。软件的出现已经对这些基础课的教学产生了影响,并且这种影响会一直持续下去。未来的这些基础课教学会更加强调对于原理的理解和应用,减淡乃至忽略具体的计算方法——也就是说,工科的理论教学会带有更强的理科色彩。
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:13:33 | 显示全部楼层
谈一下自己的想法,工程师有两个基本工作:1.建立模型,从复杂的工程实践中抓住主要问题,舍弃次要问题,将复杂的现实简化为现阶段数学、力学水平可以求解的模型;2.模型求解,工程师利用计算器、结构软件等工具求解,得到可以接受的结果。

结构软件能不能代替工程师的工作?肯定能,但要有两个前提,1.人们对工程实践的认识充分、准确,能够建立足够真实的模型,如果工程实践能像计算机一样被准确描述的话,结构软件也是完全可以像操作系统一样的,70年前操作计算机还是门高深技术,可现在即使你连CPU这个名词都没有听过,也可以使用计算机进行基本操作;2.数学、力学和计算机的发展能够解决工程师建立的模型,模型的求解需要新的数学工具、力学的发展和新的超级计算机。
至于结构中所体现的美、优雅等因人而定的主观感觉,人之间都不一定能统一,就别要求软件了。
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:14:12 | 显示全部楼层
土木在读本科生一枚,在此献丑了。可以这样说,仅仅会使用软件而不懂原理的设计师可以称之为“瞎子”。这句话毫不夸张,我们在学习有限元这门课是花费了90%的时间学习有限元原理,只用了很少的时间学习上机操作,教师的意图很明显,就是学会原理对发挥软件作用极为重要,而对软件的熟练操作可以慢慢去掌握,事实上我们对软件的熟练掌握大都是独立操作学习的结果。
跑题了,拉回来。我们某专业老师曾再三叮嘱我们“不要以为会使用软件就会设计了,学习原理很重要”。这句话很容易理解,比如,使用某些软件可以根据实际要求设计出一个建筑物(不限于楼房,假定为任意结构),安全性符合要求,但是造价过高,需要优化增强结构合理性,降低造价,如果不明白其中设计原理是很难做到的,难道要光靠改变设计参数来碰运气,概率太低了吧!!!
在课堂上老师讲过一个真实案例,他的学生在用软件设计斜拉桥时对他说“部分斜拉索受力过大,我仅仅通过调节某些斜拉索的一点点长度就可以满足受力要求”,老师对我们说,这就是典型的光会软件理论不行,在施工过程中误差是难免的,如果你设计的结果仅仅因为一点变动就变为不合理受力状态,那么这个设计是完全失败的,它的安全性不足。
 楼主| 发表于 2014-5-5 23:17:02 | 显示全部楼层
结构设计,大概是这么个事。根据已有的条件,布置结构构件(梁柱等),然后复核其合理性,数次调整修改,总结成果(画图)指导施工。 这其中,软件能做的事情是复核,帮助整理成果,代替的只是简单枯燥的部分,创造性的部分还是由人完成的。 比如石头,砖头,砍刀,枪,单兵装甲这个套路的进化只是减少了打仗时体力的付出,作战素养依然同样重要。
发表于 2014-5-6 18:10:43 | 显示全部楼层
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