大樓越造越高，體量越來越大，造型結構越來越復雜，面對強震和颶風等自然災害，這些建筑能否屹立不倒？“小震不壞，中震可修，大震不倒”是建筑結構抗震設計的理念，大震不倒，是否就意味著高昂的造價？
面對國家重大戰(zhàn)略需求，上海防災救災研究所所長、同濟大學土木工程學院特聘教授李杰認為，建設韌性城市，結構分析和設計理論需要變革，精細化分析與整體優(yōu)化設計勢在必行?！按騻€不恰當的比喻，臺風過境，有些大樹可能會倒，竹子反而不會，所以，增加承載力儲備的傳統(tǒng)做法，未必就一定沒有風險，而且承載力儲備就意味著高成本，最重要的是，長此以往，結構工程和防災科學就會裹足不前。”
李杰教授在工地
經過15年的持續(xù)科研攻關，李杰領銜的“復雜建筑結構精細分析與整體抗災性能調控關鍵技術”項目給出了更安全更經濟的答案：基于建筑結構的精細化分析，對建筑結構進行整體抗災性能優(yōu)化，可以提升大型復雜建筑結構整體抗災性能，并顯著降低結構造價。該項目榮獲2019年度上海科技進步獎一等獎。
需要解決三個關鍵難題
李杰介紹，要實現結構精細化分析與整體抗震優(yōu)化設計，需要解決三個關鍵難題：材料非線性的合理反映、結構破壞的準確模擬、復雜結構的優(yōu)化設計?！霸趶娬鹱饔孟拢牧蠒霈F非線性行為，比如混凝土會開裂甚至壓碎，鋼材會屈服甚至斷裂，傳統(tǒng)的結構設計理論，無法反映這些非線性行為，更談不上從材料損傷到結構破壞的全過程模擬?！?
李杰帶領團隊追本求源，建立了鋼筋混凝土復合材料彈塑性損傷理論，構建了混凝土彈塑性隨機損傷物理模型，首次實現了鋼筋混凝土復合材料靜、動力非線性行為的綜合反映。美國科學院院士、工程院院士巴讓特（Bazant）教授盛贊該模型是“一個出類拔萃的混凝土模型”。
“在國際上，這是一個長期懸而未決的難題。我們的理論成果經過了充分的實驗驗證?！崩罱苷f，“6年，1042組實驗，我們課題組的任曉丹副教授和同學們一起付出了艱苦的努力?！?
李杰教授和課題組陳建兵教授在上海中心工地
值得一提的是，2010年，該損傷模型被納入我國《混凝土結構設計規(guī)范》，這是國際范圍內首次將混凝土損傷模型引入國家標準。“設計規(guī)范引入理論模型的案例很少，設計規(guī)范強調應用，我們的損傷模型理論性比較強，但好用?！比螘缘じ嬖V記者，十年的應用證明，損傷模型在設計界大受歡迎，并形成了自己的話語體系。比如，針對大震非線性分析的結果，設計師們的討論模式通常是這樣的：“有哪些損傷？損傷在哪些位置？” “算出來的損傷主要集中在哪個部位？哪些損傷可以減少一些？”……
理論創(chuàng)新的價值遠不只于此。李杰介紹，損傷模型并不僅僅適用于結構抗震設計，山東建筑大學將損傷模型應用于復雜建筑結構的移位，“準確地模擬了托換梁混凝土開裂過程和新老混凝土界面脫離過程”，該技術成果與山東建筑大學多年來的研究成果一起獲得了2014年國家技術發(fā)明二等獎。
在理論創(chuàng)新的基礎上，團隊研發(fā)了大型結構非線性分析軟件系統(tǒng)ADARCS，建立了復雜建筑結構的精細化分析技術平臺，實現了復雜建筑結構從材料損傷到結構倒塌全過程的精細化分析。李杰告訴記者，該技術解決了諸多歷史難題，如框架梁坍塌效應的模擬、復雜構件的受力分析等等，在國際上均處于技術領先地位。
“比如這個美麗的蝴蝶形曲線，是開口剪力墻的滯回行為模擬曲線，也是國際上知名的難題。很多人能做出這個試驗，但無法通過模型模擬出這個曲線。我們發(fā)展的技術，完美再現了這類極具挑戰(zhàn)性的試驗結果?！崩罱苷f，這個蝴蝶形的曲線在國內外各大國際會議報告現場收獲驚嘆無數，“這個曲線有隱式和顯式兩種算法，隱式結果更穩(wěn)定，國際上能做出顯式曲線的，一個巴掌數得過來，但能做出隱式曲線的，目前只有我們課題組?！?
結構精細化非線性分析軟件與模塊研發(fā)
揭開了大型復雜建筑結構從材料損傷、構件破壞到結構倒塌全過程的神秘面紗，有了軟件的加持，對各類建筑整體抗災性能進行精準調控就不再是難事。“常規(guī)優(yōu)化，主要體現在用鋼量上?！?李杰介紹，基于可靠度的結構敏感性分析，依據指標敏感度進行結構優(yōu)化設計，在確保結構滿足規(guī)范要求的同時，可以顯著降低結構造價，比如6月28日剛剛開工的蘇州第一高樓中南中心，抗震優(yōu)化設計后，僅主體結構構件，即可節(jié)約鋼材1067.4噸。
“另外一種優(yōu)化，是實現了主體結構與減振裝置的一體化設計?；诰毣治觯槍Ρ∪醪课?，可以設計減震裝置的布置位置和形式等，顯著提升建筑的整體抗災性能。”李杰說。
結構精細化非線性分析軟件與模塊研發(fā)
據悉，軟件開發(fā)后，李杰團隊還在國際知名開源結構分析軟件平臺OpenSees上以“中國規(guī)范模型”名義貢獻了模塊，并基于國際知名有限元平臺ABAQUS進行了二次開發(fā)。
據悉，項目已獲得5項國家專利、5項軟件著作權，出版學術專著1部，發(fā)表SCI/EI論文78篇。截止2017年，成果已直接應用于30余座大型復雜結構的精細化分析與優(yōu)化設計，顯著提高了結構的抗震性能。據不完全統(tǒng)計，全國在建300米以上的超高層項目中，有10%的項目直接應用了該技術。項目成果近三年實現直接經濟效益4.75億元，間接經濟效益7.85億元。
項目代表性工程應用
摩天大樓“下盤功夫”，同濟早有探索
幫助摩天大樓練就更多穩(wěn)扎穩(wěn)打的功夫，同濟大學早有探索。解放日報·上觀新聞記者獲悉，該校結構工程與防災研究所專家歷經十余年，研發(fā)成功結構抗震防災新技術，這一“中國功夫”日前首次在抗震研究強國日本實現工程應用，令建筑物的“馬步”扎得更穩(wěn)。
近年來，隨著我國高層建筑結構體系越來越復雜，對高層及超高層建筑的抗震技術需求日益迫切。自1994年起,在呂西林教授帶領下，課題組致力于開發(fā)新型的抗震防災技術。呂西林坦言，在土木工程領域，原始創(chuàng)新非常少，他們的“馬步新招”靠的是集成創(chuàng)新,即利用已有技術、設備,達到“1+1>2”的效果。相關論文已在國際一流專業(yè)雜志《地震工程與結構動力學》(EESD)上發(fā)表。
走在同濟大學土木工程系樓梯上，常有人要問：那轉角處貼著墻面、頂著天花板的人字形灰色結構干啥用？這正是專家們的得意之作：將橡膠耗能、油阻尼器這兩大減震設備創(chuàng)造性地連在一起，不僅能令大樓抵抗住相當于6至7級強震的沖擊，而且施工較傳統(tǒng)方法更為簡易。這一消能減震支撐體系，獲得國家實用新型專利，并應用于上海市3項實際工程。如上海港匯廣場商務辦公樓的加固設計使用了這一創(chuàng)新技術，整個加固過程中廣場基本未停業(yè)。
讓摩天大樓的“下盤功夫”更強，同濟大學專家再做“加法”，采用各種滑動支座“并聯”橡膠支座，組成全新的組合隔震系統(tǒng)，成功應用于超高建筑的基礎隔震。據了解，它已在日本的4個高層建筑工程中發(fā)揮作用，當地企業(yè)數據顯示，這一技術在達到相同抗震效果前提下，工程成本降低10%左右，產生直接經濟效益6169萬日元。
