结构设计工程师条件，结构设计基本内容

建筑物的设计包括建筑设计、结构设计、给排水设计、暖气通风设计和电气设计。每一部分都要的设计都要围绕4个基本要求：功能要求、美观要求、经济要求和环保要求。

建筑结构是一个建筑物发挥其使用功能的基础，结构设计是建筑物设计的一个重要组成部分。可以分为以下几个过程：1.方案设计。2.结构分析。3.构件设计。4.绘施工图。

1.方案设计

方案设计为初步设计，包括结构选型、结构布置和主要构件的截面尺寸的估算。

（1）结构选型

结构选型包括上部结构选型和基础选型。主要依据建筑物的功能要求，场地情况，施工条件、工期要求等。来确定结构的体型（层数），材料结构，主体的结构形式。

（2）结构布置

结构布置包括定位轴线、构件布置和设置变形缝。

定位轴线来确定所有结构构件的水平位置，一般有横向定位轴线和纵向定位轴线，当建筑平面形状复杂时，还采用斜向定位轴线。横向从左到右用①、②、③、④、⑤…表示；纵向定位轴线由下至上圈A…表示。

构件布置即确定构件的位置，包括平面位置和竖向位置。平面位置通过定位轴线的关系加以确定，竖向位置用标高来确定。

标高分为建筑标高和结构标高。建筑标高指建筑物建造完毕应有的标高，结构标高指结构构件表面的标高。

变形缝包括伸缩缝、沉降缝、和防震缝。

设置伸缩缝是为了避免因房屋长度和宽度过大，温度变化导致结构内部产生很大的温度应力，造成对结构和非结构构件的损坏。

设置沉降缝是为了避免因建筑物不同部位的结构类型、层数、荷载或地质情况不同导致不均匀沉降过大，引起结构或非结构构件的损坏。

设置防震缝是为了避免建筑物不同部分因质量或刚度的不同结构设计工程师条件，在地震发生时具有不同的震动频率而相互碰撞导致损坏。

（3）结构截面尺寸估算

为了进行结构分析，结构布置完成后需要估算构件的截面尺寸。构件截面尺寸一般先根据变形条件和稳定条件，利用经验公式确定，截面设计发现不满足时再作调整。

2.结构分析

结构分析是要计算结构在各种作用下的效应，它是结构设计的重要内容。结构分析的核心问题是计算模型的确定，包括计算简图和采用的计算理论。

（1）计算计算简图时，需要对实际结构进行简化假定。简化过程应遵循三个原则：尽可能反应结构的实际受力特性：偏于安全和简单。为了得到接近实际受力状况的计算简图，需要对各影响因素进行分析结构设计工程师条件，结构设计基本内容，抓住主要因素，对于一些影响较大而又难于在模型中考虑的因素，应通过其他措施进行弥补。

由于计算简图是实际结构的一种简化、近似所以在采用某一计算简图时，一定要了解其与实际结构的差别以及差别的变化规律，即哪些情况下差别比较大或比较下，了解其适用范围。

（2）计算理论

结构分析所采用的计算理论可以分为线弹性理论、塑性理论和非线性理论。

线弹性理论最为成熟，应用最为广泛。线弹性理论假定材料和构件均是线弹性的，根据线弹性理论计算的作用效应与作用成正比。

3.构造设计

构件设计包括截面设计和节点设计两个部分。对于混凝土结构，截面设计称为配筋计算，因为截面尺寸在方案设计阶段已初步确定，构件设计阶段所做的工作是确定钢筋的类型、放置位置和数量。节点设计也称为连接设计。对于钢结构，节点设计比截面设计更为重要。

构造设计由两项工作内容：计算和构造。在结构设计中一部分内容是根据计算确定的，而另一部分内容是根据构造规定确定的。

4.绘制施工图

作者 | 尚晓江 仿真秀金牌讲师

来源 | 本文为仿真秀App原创作品，上海安世亚太授权转载

前言

近年来，随着有限元分析软件应用的普及，很多在过去仅仅局限于科研人员论文中的问题，逐步开始成为设计工程师的分析任务。但是另一方面，设计人员未必具备分析人员的知识储备，很多人对于结构分析缺乏有效的思路，甚至有的分析人员完全没有材料力学等相关的基本概念，在结构分析中往往会陷入各种误区，导致分析的效果大打折扣，甚至得出错误的结果。本文针对设计人员结构分析中常见的一些误区进行分析和讨论，希望引起结构分析人员的重视。本文讨论的问题仅限于建模思路和静力计算部分。

误区一：缺乏体系化的概念

很多人做结构分析，就连什么是结构都不清楚。结构是通过构件连接而构成的可承受荷载、起骨架作用的体系。一些人以为，只要会操作软件，就能够进行结构分析。殊不知，如果对于结构缺乏体系化的认知，就无法正确的计算分析，也不能起到验证设计思路的作用。

实际上，作为可承载的骨架体系，结构内部是存在荷载的传递路径的。比如下图所示的框架结构：

在竖向荷载（以自重为代表）作用下，框架结构的传力路径是荷载→楼板→次梁→框架梁→框架柱→基础。在水平荷载（以风荷载和水平地震作用为代表）作用下，框架结构的传力路径是各楼层节点（假设）→框架梁→框架柱→基础。

在机械和电子产品中，结构的传力路径往往没有建筑结构那样明确，在设计这些产品的结构时，更需要有结构体系的概念，否则就无法形成有效的设计思路，也就无法正确建模并通过仿真计算来验证设计的意图了。

还有的分析人员不能正确区分主体结构和附属结果、不能区分结构构件和非结构构件，建模的时候眉毛胡子一把抓，甚至错误地把非结构件当做结构构件，不但效率低下，而且把握不到分析的重点。这种现象说到底也是由于缺乏结构体系化概念引起的。

误区二：认为建模细节越多越好

有些分析人员总是纠结于各种模型中的细节问题，导入的三维模型上的一些细节特征，他希望能够一个不落地保留，总担心简化了哪个地方会导致计算不准确，因此不敢对分析对象进行必要的简化。比如：下图所示的一些表面凸起属于非受力的装饰，在结构分析中应采用经过简化处理后的右边的模型。这一类的特征在实体模型中是很常见的。当然，简化都是有依据的，如果过度简化可能导致应力异常、刚度改变、截面削弱，那就不是正确的简化了。

还有人在整体结构分析中总是热衷于保留螺栓、焊缝、接触部位等连接细节，说到底，这些问题的根源在于不能分清主次、结构概念不清晰。一般情况下，只是在局部分析（如：节点分析、子模型分析）时才需要考虑这些连接部位的模型细节，整体分析时则不需要在模型中保留这些连接细节，只需要根据连接的设计意图简化为刚性连接、耦合或约束方程即可，这样不仅分析思路明确，而且可以显著地提高分析的效率。

误区三：对网格划分存在误解

有的分析人员，尤其是初学者，往往对于网格划分存在认识上的误区，这些问题的存在，通常会使得分析效率低下、事倍功半。有人片面地认为计算规模越大、网格划分越细结果就越准确。实际上，对于静力分析，根据基本概念，只需要在高应力梯度范围划分较为精密的网格，而在其他部位划分粗细适宜的网格，就能够在相对合理的计算规模下得到问题的精确解答。

还有人一味地执着于划分所谓全六面体网格，在网格划分环节花费大量精力，甚至会因为无法划分成功而放弃计算。事实上，用带有中间节点的四面体网格，同样能够得到较高精度的解答。这一点通过六面体和四面体两种不同的网格，对同一问题分别计算就可以得到验证。计算结果准确是第一位的，网格漂亮与否并不那么重要，做分析的目标也不是追求网格好看。

误区四：认为实体单元比结构单元更精确

在选择单元类型时，有的分析人员认为实体单元更精确，而不愿意或不敢使用BEAM、等结构单元。实际上，并不是什么问题都适合于用单元来分析的，想象一下上海中心那种大型结构的整体分析场景，立刻就能够明白单元不是万能的。

梁、管、杆、壳、厚壳、弹簧等单元类型用来模拟特定结构类型机械工程师和结构工程师的区别，使用起来比实体单元更为有效。比如：使用BEAM单元分析框架结构、使用单元分析墙体、使用PIPE单元分析管道系统、使用LINK单元分析桁架，使用弹簧单元等效模拟连接刚度等。要正确地指定这些结构单元的特性，包括但不限于梁的横截面参数、主轴指向、截面偏移，壳的截面特性、外法线方向，弹簧刚度等。利用结构单元不仅提高了分析效率和精度，也能够很好反映实际结构受力特征。

很多人习惯于导入3D实体几何模型直接进行Mesh和计算，这也是一种认识误区。实际上，3D建模软件中建立的几何模型并不一定适合有限元分析。即便对于实体结构，也需要首先对几何模型进行清理、简化、创建印记面等准备操作，使之适合于有限元分析。对于包含梁、壳等结构单元的模型，还涉及到对薄壁实体进行抽中面、对细长实体抽梁等操作，形成表面体、线体等适合于划分为壳、梁单元的几何对象。

误区五：不重视边界条件的选取

有限元方法本身在假设单元位移模式时，要求满足完备性条件和协调性条件，因此其位移模式中必然包含刚体位移，由奇异的单元刚度矩阵组成的结构刚度矩阵也是奇异的，需要引入边界条件才能正确地解答。这个意义上来讲，有限元分析中边界条件对得到正确解答起到决定性的作用。

但是很多分析人员，尤其是初学者，往往在建模环节花费了大量精力，在施加边界条件时则较为随意。实际上，这种轻率的做法很可能导致分析结果不能反映实际情况。如下图所示的几个梁结构，其分析模型（刚度矩阵）在没有引入边界条件之前是完全相同的，但是不同的约束条件实际上对应了性质完全不同的问题。

对于软件中的各种边界条件和荷载类型，需要弄清其实质并正确施加。比如：施加对称边界条件或反对称边界条件时，要清楚是哪些自由度受到了约束。对称条件作用于梁单元组成的结构时，对称面内的杆件刚度应根据实际情况取一半。其他约束条件类型的本质也是对节点位移自由度的约束，因此要仔细推敲所施加的边界约束，使其与实际结构受力状态相符合。由此可见，网格划分粗细引起的如果是误差，不恰当的边界约束则会直接导致分析的错误和失败。

误区六：不重视计算结果的分析

对于现在的分析软件而言，后处理操作都是非常直观的，掌握这些操作并不复杂。但是如果没有力学知识和工程背景，不了解有限元求解的原理和过程，很可能无法对计算结果的正确性做出评价，或者被一些数值计算的假象所蒙蔽机械工程师和结构工程师的区别，结构工程师必须要注意的6个“坑”！，可能得到错误的认知。

有限元分析通常以位移作为基本未知量，因此后处理首先应当检查变形结果，而不是像很多人那样先看或只看应力结果。

支反力结果是根据位移结果直接导出的，可用于检查总体的平衡条件是否得到满足，也可以用来检验结构的载荷传递路径。

应变、应力结果是由节点位移导出的，且由于计算软件所采用的等参元和数值积分技术，这些结果通常只能得到积分点位置的数值。所以对于应力结果的探究，通常也有助于判断模型网格的精度。

要区分单元的应力解答和节点的应力解答，区分未平均的应力解答和平均的应力解答，区分应力集中和应力奇异。

在塑性分析的结果中，可能出现应力超出屈服应力的情况，这类情况也要进行具体的分析，比如下图所示的钢结构节点就存在显著超出屈服强度的区域。

总之，应力结果的后处理绝对不是简单地截取等值线图的Max值直接写入报告。

除了上述所列举的一些误区外，在结构动力学、非线性分析等领域，分析者面对的问题通常就更为复杂，客观上也需要有更多的知识储备，否则会出现更多概念认识上的误区，使得分析人员无法达到分析的预期目标。