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、同济大学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。该项目荣获2019年度上海科技进步奖一等奖。

需要解决三个关键难题

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”。

“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？”……

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。”

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震装置的一体化设计。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。

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。

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。截至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。

摩天大楼“下盘功夫”，同济早有探索

帮助摩天大楼练就更多稳扎稳打的功夫，同济大学早有探索。解放日报·上观新闻记者获悉，该校结构工程与防灾研究所专家历经十余年，研发成功结构抗震防灾新技术，这一“中国功夫”日前首次在抗震研究强国日本实现工程应用，令建筑物的“马步”扎得更稳。

近年来，随着我国高层建筑结构体系越来越复杂，对高层及超高层建筑的抗震技术需求日益迫切。自1994年起,在吕西林教授带领下，课题组致力于开发新型的抗震防灾技术。吕西林坦言，在土木工程领域，原始创新非常少，他们的“马步新招”靠的是集成创新,即利用已有技术、设备,达到“1+1>2”的效果。相关论文已在国际一流专业杂志《地震工程与结构动力学》(EESD)上发表。

走在同济大学土木工程系楼梯上，常有人要问：那转角处贴着墙面、顶着天花板的人字形灰色结构干啥用？这正是专家们的得意之作：将橡胶耗能、油阻尼器这两大减震设备创造性地连在一起，不仅能令大楼抵抗住相当于6至7级强震的冲击，而且施工较传统方法更为简易。这一消能减震支撑体系，获得国家实用新型专利，并应用于上海市3项实际工程。如上海港汇广场商务办公楼的加固设计使用了这一创新技术，整个加固过程中广场基本未停业。

让摩天大楼的“下盘功夫”更强，同济大学专家再做“加法”，采用各种滑动支座“并联”橡胶支座，组成全新的组合隔震系统，成功应用于超高建筑的基础隔震。据了解，它已在日本的4个高层建筑工程中发挥作用，当地企业数据显示，这一技术在达到相同抗震效果前提下，工程成本降低10%左右，产生直接经济效益6169万日元。

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