大楼越造越高，体量越来越大，造型结构越来越复杂，面对强震和飓风等自然灾害，这些建筑能否屹立不倒？“小震不坏，中震可修，大震不倒”是建筑结构抗震设计的理念，大震不倒，是否就意味着高昂的造价？
面对国家重大战略需求，上海防灾救灾研究所所长、我校土木工程学院特聘教授李杰认为，建设韧性城市，结构分析和设计理论需要变革，精细化分析与整体优化设计势在必行。“打个不恰当的比喻，台风过境，有些大树可能会倒，竹子反而不会，所以，增加承载力储备的传统做法，未必就一定没有风险，而且承载力储备就意味着高成本，最重要的是，长此以往，结构工程和防灾科学就会裹足不前。”
经过15年的持续科研攻关，李杰领衔的“复杂建筑结构精细分析与整体抗灾性能调控关键技术”项目给出了更安全更经济的答案：基于建筑结构的精细化分析，对建筑结构进行整体抗灾性能优化，可以提升大型复杂建筑结构整体抗灾性能，并显著降低结构造价。日前，该项目在上海市2019年度科学技术奖励大会上荣获科技进步一等奖。
李杰教授在工地现场
李杰介绍，要实现结构精细化分析与整体抗震优化设计，需要解决三个关键难题：材料非线性的合理反映、结构破坏的准确模拟、复杂结构的优化设计。“在强震作用下，材料会出现非线性行为，比如混凝土会开裂甚至压碎，钢材会屈服甚至断裂，传统的结构设计理论，无法反映这些非线性行为，更谈不上从材料损伤到结构破坏的全过程模拟。”
李杰带领团队追本求源，建立了钢筋混凝土复合材料弹塑性损伤理论，构建了混凝土弹塑性随机损伤物理模型，首次实现了钢筋混凝土复合材料静、动力非线性行为的综合反映。美国科学院院士、工程院院士巴让特（Bazant）教授盛赞该模型是“一个出类拔萃的混凝土模型”。
李杰教授和课题组陈建兵教授在上海中心工地
“在国际上，这是一个长期悬而未决的难题。我们的理论成果经过了充分的实验验证。”李杰说，“6年，1042组实验，我们课题组的任晓丹副教授和同学们一起付出了艰苦的努力。”
值得一提的是，2010年，该损伤模型被纳入我国《混凝土结构设计规范》，这是国际范围内首次将混凝土损伤模型引入国家标准。“设计规范引入理论模型的案例很少，设计规范强调应用，我们的损伤模型理论性比较强，但好用。”任晓丹告诉记者，十年的应用证明，损伤模型在设计界大受欢迎，并形成了自己的话语体系。比如，针对大震非线性分析的结果，设计师们的讨论模式通常是这样的：“有哪些损伤？损伤在哪些位置？” “算出来的损伤主要集中在哪个部位？哪些损伤可以减少一些？”……
李杰教授和课题组任晓丹副教授在塞尔维亚贝尔格莱德主持第一届损伤力学国际会议
理论创新的价值远不只于此。李杰介绍，损伤模型并不仅仅适用于结构抗震设计，山东建筑大学将损伤模型应用于复杂建筑结构的移位，“准确地模拟了托换梁混凝土开裂过程和新老混凝土界面脱离过程”，该技术成果与山东建筑大学多年来的研究成果一起获得了2014年国家技术发明二等奖。
在理论创新的基础上，团队研发了大型结构非线性分析软件系统ADARCS，建立了复杂建筑结构的精细化分析技术平台，实现了复杂建筑结构从材料损伤到结构倒塌全过程的精细化分析。李杰告诉记者，该技术解决了诸多历史难题，如框架梁坍塌效应的模拟、复杂构件的受力分析等等，在国际上均处于技术领先地位。
“比如这个美丽的蝴蝶形曲线，是开口剪力墙的滞回行为模拟曲线，也是国际上知名的难题。很多人能做出这个试验，但无法通过模型模拟出这个曲线。我们发展的技术，完美再现了这类极具挑战性的试验结果。”李杰说，这个蝴蝶形的曲线在国内外各大国际会议报告现场收获惊叹无数，“这个曲线有隐式和显式两种算法，隐式结果更稳定，国际上能做出显式曲线的，一个巴掌数得过来，但能做出隐式曲线的，目前只有我们课题组。”
据悉，软件开发后，李杰团队还在国际知名开源结构分析软件平台OpenSees上以“中国规范模型”名义贡献了模块，并基于国际知名有限元平台ABAQUS进行了二次开发。
结构精细化非线性分析软件与模块研发
揭开了大型复杂建筑结构从材料损伤、构件破坏到结构倒塌全过程的神秘面纱，有了软件的加持，对各类建筑整体抗灾性能进行精准调控就不再是难事。“常规优化，主要体现在用钢量上。” 李杰介绍，基于可靠度的结构敏感性分析，依据指标敏感度进行结构优化设计，在确保结构满足规范要求的同时，可以显著降低结构造价，比如6月28日刚刚开工的苏州第一高楼中南中心，抗震优化设计后，仅主体结构构件，即可节约钢材1067.4吨。
“另外一种优化，是实现了主体结构与减振装置的一体化设计。基于精细化分析，针对薄弱部位，可以设计减震装置的布置位置和形式等，显著提升建筑的整体抗灾性能。”李杰说。
项目代表性工程应用
据悉，项目已获得5项国家专利、5项软件著作权，出版学术专著1部，发表SCI/EI论文78篇。截止2017年，成果已直接应用于30余座大型复杂结构的精细化分析与优化设计，显著提高了结构的抗震性能。据不完全统计，全国在建300米以上的超高层项目中，有10%的项目直接应用了该技术。项目成果近三年实现直接经济效益4.75亿元，间接经济效益7.85亿元。（魏丹）
