(a)从土木材料观上看：

    土木工程经历三个阶段：古代土木工程，近现代土木工程和现代土木工程。古代土木工程用材，主要天然材料，如泥土、木材、石材为主。而近现代土木工程的开端，是水泥的诞生，它通过英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时的发现:要获得水硬性石灰,必须采用含有粘土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆,较理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。后续的，主要的研究大部分落脚于研究各式各样的HPHV混凝土（注：HPHV 即 High-Performance High-Volume Fly Ash Concrete（高性能高粉煤灰混凝土））和研究提高混凝土的耐久性（注：影响混凝土耐久性的一个重要因素是裂缝。比如如果水泥中C3S的含量提高很多，水泥的磨细度也大为提高，这使得混凝土获得早强，但它的干缩和温度变形也大为增加。所以，这样的混凝土比更易开裂，从而影响耐久性）。

    现在土木工程的标志是与信息技术革命或纳米科技发展息息相关，发明越来越多的新型材料，同样延续着人类利用创新思维进行探索和创造。高强度材料、轻质材料的应用，减轻结构自重减轻建筑重量，为减轻结构自重创造了条件。

(b)土木工程中的宏观角度看：

    结构工程是土木工程重要分支，它保证土木工程结构的安全性，也是结构建造者和使用者最为关心的问题之一。在土木工程的三个时代中：古代土木工程，近现代土木工程和现代土木工程，起始于近代土木工程时代，工程结构的安全性开始有量化度量和设计方法，并在各代结构工程师理论创新进化中，逐步逐代的发展，其创新的理论根基是以数学力学理论的发展，定量分析结构在自身重力和外部作用下的响应、用结构可靠度来衡量结构安全性。

即结构工程的发展创新是为了解决两大问题：

    a.结构受力力学行为的科学反映方式，如数学模型的构建或解释现象的理论完善。

    b.对于工程中客观存在的不确定性的科学度量方式，通常在学界中以工程

可靠度理论的创新研究发展，对于该问题的阐述和解析。

    自具有开创性的伽利略的试验力学和牛顿的理论经典力学的创新和构建开始，可视为结构工程从经验设计走向计算分析的近代土木工程的起点。在牛顿构建的经典力学大厦中，不乏涌现大量数学力学家，如柯西、泊松等人对于弹性理论进行奠基性的研究。

    力的概念提出，使得对于结构工程分析有了强有利的分析和保障。不仅如此，应力、应变的概念也联系了细观变形和宏观结构的定量转换关系，也给人们在宏观世界的经验上有了细观层面定量的解析，由宏观世界和细观世界统一的经验理性推测广义胡克定律也成了弹性力学建立最重要的三大基石之一，它的创新是将土木工程提升了一个理论维度，而非单纯的经验设计或臆测的方法。

    基于弹性力学的建立，使得土木人对于结构材料和承载力有细观的意义，也由此刻画了允许应力来表述材料强度理论。时代的促进推动下，1825年，Navier首次创新性的提出了允许应力设计法，这是结构工程近代结构设计理论的雏形。土木大师Navier结合了当时时代数学力学背景，结合自身土木学科特点，创新性提出允许应力设计法，即便在今时看来落伍，但在那时已经是具有相当开创性的观点。这样的创新思维，它是基于前人、其他学科的知识综合积累，打碎原有固化思维模式，利用积累的知识体系碎片，重新构建新的设计理论体系，这是当下土木人创新必备的素养之一。

    而在近代结构设计理论中也存在不足，为后来土木工程的人进步提供重要的路线和思路。

近代结构设计理论主要的问题在于：

    1、近代结构设计理论的设计主要依赖于结构力学构建结构受力和材料力学的单构件的线性分析，而人类处于的世界是高度非线性的环境，数学模型已经不能满足人类日益增长的需求；

    2、近代设计理论仅仅将工程的不确定性以安全系数法的概念简单规避，为了保障结构未知的安全性，这使得材料的安全系数需要较大，因而结构虽然建立了理论分析系统，但仍然处于“吃力不讨好”结构状态，该阶段的结构和该阶段的土木人的工程设计世界观处于线性世界和结构确定性的设计。

(b)现代结构设计理论创新

    由于在日渐发展的理论和工程界的推动下，1930年后，催生了一批以格沃兹杰夫为代表的优秀土木科研人员，开始打开以构件极限强度分析与基于经验统计的概率性结构安全系数度量为基本特征的现代结构设计理论。这一维度的设计分析是对结构可靠度和非线性材料力学发展的推动和该时代的特征，也构建了现代目前工程结构基于构件强度进行设计的基本格局，为推动混凝土结构、钢结构的构件承载力极限强度或正常使用状况分析起了重要的理论背景保障。

    在现代结构工程设计时期，建立以梁柱结构体系的极限强度分析（初步了解杆系结构的分析：【JY】从一根悬臂梁说起）、板壳结构极限强度的构件分析（初步了解杆系结构的分析：【JY】板壳单元的分析详解），以分项系数法，考虑多种荷载组合极限状态的近似概率作为荷载分析的方法，这些都构成了现代结构设计的重要发展。

    这一时期也涌现出不少的促进非线性分析雏形建立的大师，如19世纪的伦敦皇家学院的Pippard教授、20世纪的剑桥大学的Baker教授，二人相继共同构建的一套严格的技术理论，并且Baker教授开始以旧的几何学理念和现代的能量学结合，构建形成新的“塑性理论”，推动无尽所需，根据实际情况，安全经济可靠的建造可服务式极限状态，该理论构成塑性理论的能量学原理，其中的几何学坚守了塑性铰链的概念、旋转中心、以及用来维持兼容性的约束条件等的理论。

    尽管现代结构设计理论在结构设计中取得了巨大的成就，但现代结构设计理论对于结构受力的力学行为的反映在工程客观存在的随机性的度量是局部的、不完整的、近似的。如在构件上受力可以很完美的描述构件从弹性到塑性直至破坏的过程，而由于结构进入弹塑性后，内力会进而重分布，使得该设计理论并无法有效的说明构件在结构体系中真实的损伤演化。现代设计理论，提倡的这种结构设计中分解方法对于当代工程师、我国土木工程教育仍然有较大根深蒂固的影响，但以单一构件的强度设计保障，很难确保在结构分析和构件设计两个层面上的理论协同，对于存在对结构体系受力力学行为本质认识不一致的矛盾，导致目前仍有大部分的“稚嫩”工程师仅对单一构件有较好的关注，而无法把握区分结构宏观体系的力学行为，也无法很好的注意到，在结构分析中采用线弹性力学、 忽略非线性的影响，而在构件设计中则考虑了非线性受力力学行为的影响，即缺乏对整体结构的大局观。

(c)当代结构设计理论创新及探索

    由于在结构层次忽略非线性受力力学行为的分析，在结构受力过程中真实存在的非线性内力重分布就不能得到科学反映，线弹性的结构内力分布不能反映真

实的非线性结构内力分布规律。这样的问题推动了当下21世纪的前十年各国土木科研人员的理论创新，这是时代性的创新思维体现，由于静、动力非线性数值分析方法的趋于完备、弹塑性力学和损伤力学的趋于成熟、概率密度演化理论的出现，形成了当代结构设计理论得以奠基的三大基石，目标是为了实现结构生命周期中的整体可靠性设计，能更精确的描述真实世界中结构的非线性问题。对于结构性能化设计发展也是在一阶段兴起和发展，虽然目前当代设计理论基础已经趋于完善，也形成的当下创新的框架雏形，但真正完备的当代结构体系设计理论还需等待我们当代新兴土木人的努力和探究，应用我们的知识储备，结合我们的创新思维，进而完成创新性的研究工作。

    同时，在日新月异的技术创新中，土木科研人员、工程师希望能理解或者更想去解决每次达到新的彼岸后遇到的新问题，试图更想去突破技术瓶颈，在概念空间中，即一致性领域，设计师或土木科研团队中间的学问会随着时间的流逝改变，每个时代的土木人需要通过当下不一样的资源和当下环境来构建思维逻辑和设计思想，每一代的土木人都会以不同的思路看待事物，而当下到以后的一段较长的时间，即通过土木人的想象、判断和推理，将科学、技术、数学和实践经验应用到设计、制造中，结合材料科学（如新材料研发）、计算机（如现代优化算法和图形学构建的结构拓扑）、信息科学（如BIM全寿命周期设计系统）、电子信息工程（如信号检测分析和处理的结构健康监测）、机械（如减隔震元件设计）等等方面，交叉结合促进土木工程研究创新。

图 BIM全寿命周期协同

（具体可见：【JY】今日科普之BIM）

图 结构健康检测系统协同

图 隔震结构的基本原理

（具体可见：【JY】近断层结构设计策略分析与讨论）

    首先对于结构概念的理解必须对知识体系的融会贯通，否则内功不足，概念设计常挂嘴边将会变成感觉设计，靠感觉臆想的设计并非概念设计。

    实际工程千变万化，并非几本规范或几个公式所能包括的，必须由设计人因地因时制宜，寻求较好的解决方案。概念设计必定包含如何运用理论力学、材料力学和结构力学等等（如下入门级结构学习体系）的基本概念去思考问题的想法。规范设置的条条框框，是可以松动的（如果本事够硬的话），但是不论是谁，在数学力学和材料等方面的基本原理则中，是不能违背的。

    因此拥有深厚概念设计的人一定必备两点：

    1、理论知识扎实深厚；

    2、经验丰富(包括试验经验+设计经验)。

    这里简单整理下必备的结构学习体系:

    对于体系概念的宏观把控和深入理解，这点可以从方鄂华教授的《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》中进行学习，并且我国现行《抗规》和《高规》进行了解，规范中对于在我国常用的各种钢筋混凝土高层结构和混合结构体系给出了其适用的最大高度。当然了，对于规范中未指定的体系或突破的超限高度或跨度，只要分析论证到位，且得到专家认可也可执行（此推文献给敬畏且不盲从规范的结构工程师）。

图 传统结构体系

    在进行建筑结构设计的过程当中，不能够仅仅通过短短的简单设计完成。需要通过引用各类体系概念，将该建筑结构设计的相似的工程项目进行总结，根据所总结出的优点，对建筑结构设计进行全新的设计，让建筑结构设计方案能够更科学合理地进行，体系不止包括传统结构体系，结构工程师应有更大的视野，才可以看菜做饭、有菜做饭，有得选择。

    好的结构具备必要的强度和良好延性及多道设防原则建筑结构的抗震性能，是由多个指标决定的。通常将建筑的强度、刚度以及延性，作为衡量结构抗震能力的指标。各类结构体系的耗能机制各有不同，选择对应的结构体系结合相应的建筑功能，是结构工程师需要必备掌握的技能。

图 各类结构耗能机制

       本章节重点：

传统抗侧力体系、

外观抗风体型、

组合构件等增强构件、

可恢复性结构体系、

减隔震结构体系。

    传统抗震机制在结构体系层次，承担结构使用功能的体系与承担结构地震作用的体系为同一体系；在结构构件层次，传统抗震结构中承担使用功能的结构构件与承担地震作用的结构构件为同一构件；在构件截面层次，截面中耗散能量部分与承担使用功能部分处于同一截面。

    框架结构和剪力墙结构，均为片状的平面结构，主要依靠平面内传力，在平面内刚度很大，但平面外的刚度很小，必须在双向布置平面结构，以抵抗不同方向的荷载作用，因此结构布置的间距不大，不仅可利用空间受到限制，而且结构构件数量多、材料耗费多，可建造的建筑高度也不大。在对结构的内在力学性能深入认识的基础上，发展了空间结构，若将剪力墙围成筒体，抗侧刚度大大增加；若在剪力墙筒体上开洞，就形成了密柱深梁的框筒结构。

    剪力墙结构用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构。其墙身平面内的抗侧移刚度很大，而其墙身平面外刚度却很小，因此比框架结构有更好的抗侧力能力。剪力墙结构有很好的承载能力，而且有很好的整体性和空间作用，在房间内隐藏了梁、柱棱角等，便于室内布置，方便使用。

    框架-剪力墙结构简称框剪结构，竖向受力构件由框架柱和剪力墙组合而成。框架柱和剪力墙协同承受竖向及水平荷载。框架剪力墙结构体系是符合多道抗震防线要求的结构体系，在该结构中抗震墙由于其侧向刚度大，成为第一道防线，框架则是抗震的第二道防线。

    筒体结构又分为框架-核心筒及筒中筒两种结构，框筒结构中心为抗剪薄壁筒或密柱框架围城的框筒，外围为普通框架所组成的结构。筒中筒结构即中央为薄壁筒，外围为框筒组成的结构。

    传统梁柱杆件的尺寸有限，但是将许多杆件连接组成巨型梁、巨型柱、巨型框架，就可以大大提高抵抗竖向和水平荷载的能力，其中的次结构可以灵活布置，可以实现建筑要求的灵活空间，主、次结构的各种组合和变化，可以适应多种建筑布置，也可能加大结构高度。

    周边布置结构，可以提高结构抗侧力和抗扭转刚度，巨型框架筒或巨型桁架筒将抗侧力结构放置在周边，和核心筒结合，组成巨型框架—核心筒或筒中筒结构，适用于建造超高层结构。

     主要抵御风荷载的方式归纳总结有：

    从体型处理方面有：下大上小、切角柔化、高区透风、旋转上升、立面导流；

    从动力学角度方面有：避开共振、优化朝向、附加阻尼。

    结构外形处理：

(a)“卸风”体型的高区透风

    随建筑高度增加，风荷载以指数级增长。建筑物顶部的风荷载引起的倾覆力矩占基底倾覆力矩的比例较大。因此，在建筑物高区立面开设一些洞口，减小迎风面面积，对减小基底风荷载以及倾覆力矩作用非常明显，即高区透风。

(b)扭转体型的旋转上升

    对横风向引起的风荷载以及顶部舒适度，沿高度不断扭转建筑体型则是非常有效的方式。增加建筑物的扭转程度可导致涡旋脱落之间的相关性减小，从而降低横风向动力响应。 

(c)其他减小横风向措施

    超高层建筑采用流线形平面、建筑角部钝化、沿高度逐步退台以及立面设置导流槽等体型优化措施均可以有效降低横风风荷载，从而取得可观的经济效益。

    常用的组合构件用的是钢骨混凝土结构构件，即SRC，是在型钢外浇筑混凝土而形成的一种组合结构。与钢筋混凝土结构相比，可减轻自身重量，减少构件的横截面，增加跨度，降低成本，提高结构构件的延展性。与钢结构相比，可降低钢材的用量，合理节约资源，并且提高钢材承载时的刚度、整体稳定性和完整性。同时，外围混凝土结构能够提高核心型钢的耐火性和耐久性。

    其中实腹式型钢混凝土梁研究较多，型钢混凝土梁有与钢筋混凝土类似的正截面受力性能，正常的受力情况下，型钢混凝土梁受力过程可以分为整体工作阶段、带裂缝工作阶段、弹塑性工作阶段和整体工作阶段。型钢混凝土梁主要出现斜压和剪压两种破坏形态，但也存在少数发生粘结破坏的型钢混凝土梁；钢筋混凝土结构由于加入型钢，显著提高了构件的变形能力，改善了构件的延性性能。

    但是，可恢复功能防震结构不同，应用摇摆构造放松节点处约束，使结构节点可以在受控的范围内摇摆或者抬升，避免造成结构构件的损伤，同时在发生摇摆或抬升的节点部位设置自复位装置和可更换的耗能装置，提供恢复力并降低由于约束放松而增大的变形。因此，就控制结构关键构件损伤和震后快速恢复而言，与传统抗震结构相比，可恢复功能防震结构具有实现更高结构性能的能力。

    可恢复功能防震结构在设防目标上与传统抗震结构具有明显的区别。对于传统抗震结构，如特殊设防类、重点设防类建筑，虽然在地震作用计算及/或构造措施上较所在地的烈度有所提高，但是抗震设防目标仍然是实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

    震害调查表明，依据现行规范设计的抗震结构基本上可以实现大震不倒，即达到了避免倒塌保证生命安全的目标。但是，这一类结构在中震下的表现并未能达到规范预定的设计目标，结构构件的损伤增加了修复成本和难度，有时甚至使得修复难以进行。与传统抗震结构相比，可恢复功能防震结构具备更加细致和性能化的设防目标，在关注生命安全的同时，更加注重震后恢复能力。

    通常可恢复功能体系有：摇摆框架和摇摆墙系统、可更换结构构件（传统双连梁→可更换式连梁）

    在震害观测过程中发现，一些地震中伴有基础抬升或者结构摇摆的房屋，在地震后，其结构功能没有受到破坏。因此，结构工程界开始了一系列摇摆结构体系的研究。摇摆结构体系不是利用结构楼层本身的变形来耗散地震能量，而是通过结构构件的摇摆，将变形集中在摇摆界面上，并在这些部位设置耗能构件。

    可恢复功能防震结构是一种应用新技术的结构，配合预制装配等技术可以实现全寿命周期内高效益。传统抗震结构初期建造成本低，但是震后维修费用高，有时甚至比重新建造成本更高，是一种生命周期内效益较低的结构。相比而言，可恢复功能防震结构应用新技术可以控制初期建造成本与传统抗震结构持平或略高于传统抗震结构，但是结构的维修费用远低于传统抗震结构，造成的间接损失更少，其全寿命周期内效益较高。

    结构在设计水平地震和大震作用下会出现较为严重的损伤，导致结构在一定时间内失去基本使用功能，人们不得不在临时避难场所度过相当长的时间。此外，地震后结构的修复需要投入大量的人力和物力，对于地震后的恢复带来了阻碍和压力。

    可恢复功能防震思想要求结构功能快速可恢复，这就要求可恢复功能防震结构的工作机制克服传统抗震机制在体系、构件和截面层次中结构功能串联的弊端，通过可恢复功能防震机制经济高效地兼顾结构安全与使用功能。

    可恢复功能防震结构中结构体系、构件或者截面实现抗震与使用功能的并联，通过计算和构造布置将抗震功能集中于高效构件和可更换的阻尼装置，而承担使用功能的结构构件根据设计目标可处于无损伤或者轻微损伤的可恢复性能水平状态。

    可恢复功能防震结构通常需要耗能机制、摇摆机制、自复位机制的二项或者三项有机结合。耗能机制将地震输入的能量集中在可更换的阻尼装置中，是可恢复功能防震结构兼顾结构安全和可恢复功能的另一个核心机制。摇摆机制与耗能机制组合更具备实用价值，自复位机制在一定状态下保持弹性不具备耗能能力，因此，只有将耗能机制与以上两种组合才能实现结构的功能可恢复。

    结构被动耗能减振技术是一种经济、有效、可靠、易实现的结构振动控制技术，结构抗震安全性设计是结构设计的重要内容，通过振动控制技术提高结构的抗震能力是隔震减震领域重点解决的问题；随着建筑结构不断向高度更高、跨度更大、体型更复杂化发展，建筑结构在强风作用下的人居舒适度问题逐渐凸显，通过振动控制技术解决建筑结构人居舒适度问题也是目前隔震减震领域的一个重要任务。

图 减隔震设计常用装置

(a)建筑结构隔震技术

    建筑结构隔震技术是在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，阻隔输入上部结构的地震作用，减小结构的振动，达到预期防震要求。目前常用的隔震措施主要有橡胶垫隔震、摩擦隔震和滚动隔震，以及组合隔震技术。

    橡胶垫隔震装置由钢板和橡胶交替叠合而成。钢板作为橡胶支座的加劲材料，改变了橡胶体竖向刚度较小的特点，使其既能降低水平地震作用，又能承受较大竖向荷载。橡胶垫隔震装置包括天然橡胶垫、标准多层橡胶垫、内包阻尼体橡胶隔震垫、铅芯橡胶隔震垫等。橡胶隔震垫技术发展已比较成熟，隔震装置竖向承载力大，具有稳定的弹性复位功能，且隔震周期长、阻尼比大。并且橡胶隔震技术是目前国际上研究最成熟、应用最广泛的一种抗震技术。橡胶隔震支座具有竖向承载力大、水平刚度小、大水平变形弹性性能好等特点，铅芯橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支座同时还具有耗能能力且造价相对较低的特点，使其成为最理想的隔震元件。橡胶隔震支座发展经历了从粗略型向精细化、从高硬度向低硬度研发的过程，在橡胶支座生产方面，我国在上世纪90年代初期开始橡胶隔震支座的开发研究，目前支座已经具备稳定的力学性能。在橡胶隔震装置的种类及隔震装置的性能方面，我国同日本、美国、意大利等处于世界领先水平。

    摩擦隔震技术包括了摩擦滑移隔震和摩擦摆隔震两种类型，前者滑动面为平面，后者滑动面为曲面。隔震层滑移后，隔震层刚度为零，系统受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。摩擦滑移隔震体系的设计主要应考虑对上部结构的实际减震效果和控制基础滑移量。

(b)建筑结构减震技术

    相对于隔震技术阻隔输入上部结构的地震作用，减震技术则是立足于消耗或吸收输入上部结构的地震能量，包括耗能减震技术和吸震减震技术。在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接件）设置减震装置，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）、弹塑性（或黏弹性）滞回变形来耗散或吸收地震输入结构的能量，以减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震的目的。减震相关的阻尼器种类较多，主要使用较多的是BRB(屈曲约束支撑)、黏滞阻尼器(墙)、粘弹性阻尼器、金属阻尼器、调谐质量阻尼器。

摩擦阻尼器

BRB(屈曲约束支撑)

铅阻尼器

金属阻尼器 

黏弹阻尼器