計算機輔助設計/有限元分析等工具是否降低了國內建築的安全性？
這個問題一直困擾我很久：以有限元分析為代表的計算機輔助設計和應力分析是否降低了國內建築的安全性？
在計算機力學分析成為可能性之前，大型建築力學分析很複雜，因此十分保守，常常會保留很大的安全裕度，帝國大廈就是一個明顯的例子。但自從有了計算機，很容易實現精確的應力分析了，這樣導致大家做出來的安全裕度都是剛剛達到2.5倍或者1.5倍的行業標準要求。同時，所使用的材料，不論是水泥鋼筋還是各種工業鋼，以至焊接質量或者建設質量，就我近幾年的經驗，都十分堪憂，想必經常干工程的人總能聽到「少一點沒事」「薄一點沒事」「短一點沒事」這樣的話。在我看來，這些行為都是在蠶食安全裕度。似乎每個環節都希望自己上下環節是合乎規範的，僅僅自己少一點並不會影響安全性。而本身就很低的安全裕度經過各個方面的反覆蠶食之後所剩無幾。不知道各位做建築/結構的人對這種情況是否有準備？你們會因此趨向於選擇更加保守的方案還是僅僅滿足行業標準即一視同仁？
謝謝@趙世奇 的邀請，不過，你的這個邀請壞了我今天中午的心情，搞得我只能來怒答了。這個問題用四個字來形容，「莫名其妙」，如果再換四個字「豈有此理」。
我們將這個問題換個行業看，是不是可以將這個問題替換：
如果過去是粗放的財政預算，可以多搞點三公經費，多貪點，沒事，因為冗餘很大；如果實行精細的財政預算，三公照樣開支，這裡剋扣，那裡照樣貪污，最後財政是不是會崩潰？偷工減料，最後變成怪設計算的太準確了？超載了，怪荷載標準太低？這叫什麼？這叫做：拉不出屎怪茅坑。——————————分割線，吐槽完了說正事——————————————————
1、有限元計算是否可以精確的計算？顯然，答案是否定的。從混凝土結構上來說，混凝土結構是個複雜的結構。
在混凝土的服役狀態下，體現出大量的非線性性質，隨機性質。目前的計算水平，有限元技術是沒法精確的分析清楚混凝土結構的受力狀態的。有限元計算只能夠大概的了解混凝土結構的受力情況，當然這個大概了解，比起手算年代是要精確不少。從鋼結構來說，由於鋼材的特性比較確定，鋼結構的應力狀況比較容易模擬清楚。但是鋼結構本身並不是一個應力控制的結構。鋼結構的穩定，疲勞才是鋼結構的大問題。在這問題上，有限元不能包打天下。
同時，從設計師的角度上看，確實可以說是良莠不齊。
不少工程師，使用在有限元軟體時，正確建模的能力與判斷結果合理性的能力都有欠缺，計算結果經常是不準確的。2、保守是否意味著安全？
這個答案仍然是否定的。先不說動力問題，就說靜力問題。保守意味著多用材料，多用材料意味著要增加自重。一個簡支梁，合理梁高是1m，你保守的用1.2m可能沒事，偏於安全；如果你保守到用2m，恐怕自重就要把梁壓垮。
在動力問題上，更是這樣了。
動力問題是個複雜問題，動力效應的大小與結構特性，荷載特性都相關。柱子做粗點，意味著柱子剛度增大，也意味著地震力要增大。設計保守，未必就能夠得到好的效果。3、為什麼大家都敢去吃富餘量
首先，看看我們有多少富餘量。在目前的設計規範中，將近似概率理論簡化為了分項係數的形式來進行可靠度設計。總的來說，就是放大荷載，降低強度。橫載放大1.2倍，活載放大1.4倍；強度降低1.25倍。我們都按照橫載來算，這裡的係數大概有1.5倍的樣子。建築結構中為什麼敢吃餘量？為什麼要去吃餘量。
這和建築結構的受力特點有關。
我們在使用建築結構的使用，實際上遇不到規範中給的這麼大的荷載。尤其是，建築結構的構件控制荷載為地震荷載的時候。開發商會做個賭博，就賭不會來地震，所以敢去做所謂的結構優化。如果建築結構中，有類似與荷載試驗的這個驗收過程，我想吃餘量的現象會減少不少。所謂荷載試驗，就是將結構中的某個構件選出來，載入到設計荷載，看看這個構件的性能是不是和計算一致或者比計算的安全。而施工方為什麼要去吃餘量？
一方面是追去更高的利潤，在缺乏監管的情況下，追逐利潤是企業的本性。另一方面恐怕也是被逼的。誰不想好好修房子，誰不想保質保量完成任務，如果保質保量完成任務也能夠得到合理的收入的話。這樣掙安心錢，用的也安心。房地產商壓低造價，加快工期，搞的施工方不偷工減料就掙不到錢，他當然就要偷工減料了。4、如何保證結構安全？
一個結構的實現，是有很多個流程的。從投資，設計，施工，維護，各個方面都要做好，結構才能夠安全。要保證安全，自然是要個人管好個人的事。作為設計，當然是要精益求精，盡量準確的摸清結構的受力狀態。作為施工，自然是要保質保量，保證設計意圖的實現。不能說，我要偷點鋼筋，設計你給我做保守一點哈。作為開發商，首先就要有保質保量完成工程的觀念。
追求利潤沒有錯，但是要在保證安全的前提下，追求利潤。如果開發商只想著壓低造價，想著如果打規範的擦邊球，那設計就沒法精心，施工也沒法保質保量，監理也沒有什麼可以監的了。其實，我認為這幾方面，開發商責任最大。因為他地位最高，設計，施工，監理，都是對開發商負責。老大如果就沒想著好好乾活，下面的小弟們再努力，也干不好。
5、設計該如何考慮施工？
一個好的設計，必須考慮施工，因為任何一個設計，都是通過施工來實現設計意圖的。但並不是說，設計該把施工偷餘量考慮進去。如果這都要考慮進去，那設計就沒法做了。我該考慮你偷多少餘量呢？10%，20%，還是50%。如果這樣子，那施工是不是越偷越多。設計考慮施工，是要考慮自己的設計是否可行，從施工的角度看是否可行，是否簡單可行。一個好的設計，應該是施工簡單的。施工工序越多，施工工藝越複雜，意味著施工質量可靠性越低，出事風險越高。做設計時，要多從施工方的角度考慮問題，考慮施工的可行性。如果你來做施工，你這個設計方案好不好實現。這個問題沒人回答，我來試著答一下。我是從事機械結構強度的設計，不是搞建築的。
安全裕度本質是安全的概率，而不是是否安全。實質上我們強度設計的結論應該這樣說，這個結構在額定的使用條件下，破壞的概率是多少，而且這個概率是一個隨著使用時間變化的函數，然後根據是否滿足使用需求決定是否更改。這個概率包含了載荷變化的概率、材料性能的概率、結構設計的公差概率等等。
但是用這樣方法來設計結構強度，很麻煩。所以我們將概率問題轉換成安全裕度的概念，即只要按照某種設計方法，且安全裕度大於限定值，即滿足上述的破壞概率要求，比如10萬小時破壞率不大於0.3%。這個安全裕度的限定值是有理有據的，它跟你使用的材料數據、結構零件是否為關重件、等因素有關，不是隨便定的。
所以既然規範中制定了安全裕度滿足2.5或1.5即符合要求，那麼理論上只要我滿足這個要求，設計出來的結構就應該沒有問題。安全裕度與破壞概率是非線性的，安全裕度越高對減少破壞概率的貢獻越小，可以忽略不急。不過要注意，整個結構的從設計到加工到維護整個流程的標準體系必須統一，比如材料必須滿足GBXXXX，焊接工藝必須滿足GBXXX，加工時需要滿足XXX標準，驗收需要滿足XXX標準，還有後期維護等等。還必須和設計是一個標準體系的，因為你設計時使用的安全裕度標準是為這一套標準體系服務的。而這一套標準體系也是為了保證只要我設計的安全裕度滿足要求（比如2.5），那麼我的破壞概率就一定低於XXX。在來說一說有限元，也就是計算機輔助分析。
首先，有限元方法的思想在計算機出現之前就有了，是計算機的出現，讓它更加實用。有了計算機以後，力學分析仍然很複雜，計算機並沒有降低問題的複雜度，它只是降低了解題的時間，而且讓之前許多無解的變成了有解（或者近似解）。所以它只有好處沒有壞處，之前一些部位的應力無法求解，所以只好保守一點，現在可以求近似解了，就有底氣把這個部位的結構削弱。想航空這種對減重最為迫切的行業，最先大量應用有限元方法，也是因為它可以讓工程師能夠方便且較為準確的分析複雜結構的應力分布，有底氣的在結構上增增減減，用最少的重量，滿足強度要求。
有限元只是相當與計算器，但是它畢竟還有一定的軟體門檻，所以好多人其實只是個用軟體的人形計算器，真正分析的人是需要有強度設計功底的。它對結構設計的意義你可以參考這個答案，既然有傻瓜式的結構設計軟體了，為什麼還要在大學裡學習力學、混凝土結構這些專業課？最後想說一些題外話，機械行業是需要建立在一整套成熟的標準上的，這套標準保證了大家可以各幹個的，只要滿足標準，造出來的東西就是好東西，而這套標準是需要經過長時間檢驗的，西方工業革命幾百年的路不是白走的，他們在形成標準的路上吃的苦頭和教訓不是我們能想像的，他們也懂得不遵守標準的可怕。而我們國內呢？路還長著呢，機械行業的標準好多都是從國外抄來的，俄羅斯、美國、歐洲他們的標準各成一體，而我們則是三家隨便抄，怎麼能保證標準的統一性。還有標準的執行，有法不依的大有人在，何況標準？有限元作為一種工具其作用在於對設計出的方案進行力學分析，對於土木工程來說主要的結果是結構內各點的應力。在有限元結果正確的前提下，使用這一工具可以使得設計過程不必要那麼保守，但這一前提往往不能滿足。（註：機械、土木這兩個有限元應用最廣泛的領域都是如此）以錯誤的有限元結果來設計，當然會引起安全的問題。結構的失效大部分情形下不是因為載荷過大，而是由於失穩或者共振引起的局部應力過大導致結果失效，有限元能處理載荷已知時的失穩及共振問題，但實際中的載荷是很難預測的，因此也很難用有限元來處理。有限元的計算結果本身並不能用於判斷是否安全，還需要結合諸如破壞準則這一類問題，斷裂力學這一方向本身發展的還相對有限，因此即使是使用有限元也無法對破壞過程有準確的模擬。有限元本身的作用是經過了實際工程問題的檢驗的，二十世紀在航空、二十一世紀在航天領域都是如此，這兩類工程問題與土木工程的差別之一就是不宜採用加大安全係數的方法來保證安全，過大的自重是不可接受的。有限元被用來解決這兩個領域中的問題就是因為其可以在保證安全性的同時減少材料的用量以減小自重。
以我個人簡單的做多尺度計算的經歷來看，有限元更有意義的用處是做inverse analysis，或者做stochastic analysis。
我在Ansys公司做過，總體負責過Ansys的香港分公司的技術，算是業內人士，我來回答幾句。 首先，一個結構特別是土木結構的安全係數是以其最薄弱點的安全係數來定的，比如一座大橋，你的護欄，deck，哪怕安全係數100都沒用，只要任意一個關鍵著力點安全係數是2，那你全橋評估下來就是2。 其次，有限元分析乾的最大的一件事情其實就是找應力集中點，也就是找上邊所說的薄弱點。一個良好的分析應該是分級別的，還拿橋來說事：首先做一個基於板殼梁單元的全橋模擬，找到全橋在某幾個模態和工況下的薄弱點，一般都是一些連接件以及橋墩，纜索這些載荷集中部件；再重新對這些薄弱點建立細部的實體單元模型，根據實體單元的計算（通常會用非線性求解器去求解非線性載荷的細緻解了），來分析應力狀況，進行安全設計。 所以在這種狀態下得出的設計反而是非常定位，定點的，由此定出的安全係數是相對合理的，保證了最薄弱點的符合規範的安全係數，不太會導致您說的降低安全性的問題。 目前的安全性問題頻出的現象，在我看來主要還是施工的問題。 以上，討論。謝謝！
你的問題是關於有限元計算，很多答案也是從有限元角度說起。但是當涉及到「安全性」的概念，這就是一個遠遠超出有限元的範圍的工程概念了。
建築物，大型結構，機械產品，等等的「安全性」涉及到 （1）工業行業的標準；（2）產品和結構的功能設計和安全設計；（3）施工和製造；（4）使用；（5）維護保養；（6）意外事故和其他。*
* 飛機撞樓是意外，化學品燃爆是意外，但是地震不是意外，撞車不是意外。所謂意外是從設計的內容看的，不是從使用角度看。比如，載重車把小車壓扁，全部成員死光光。這種悲劇常常發生，但是沒有辦法在汽車強度設計中解決。這仍然是設計的「意外事故」。
在第（2）里，產品和結構的功能設計和安全設計中，有大量的工作。有限元是其中的一個重要部分。但是畢竟只是一個部分，是否可以估計佔比在20%，還和具體項目有關。
對建築物和大型結構，檢驗強度和安全性的最好的辦法就是「實測」。汽車「實測」就是真的從市場上抓一輛產品車，在實驗室里安上假人，真的把它撞壞。那麼，建築物和大型結構的「實測「怎麼做？就是對真實垮掉的結構做復原分析。比如美國的世貿大樓被飛機撞毀了，就做了大量的有限元分析。對地震倒了的樓房，要一個一個地按照設計圖紙做復原分析。看看是標準問題，設計問題，還是施工問題。國家應該建立追究工程責任的法律，年頭和建築物的壽命相當。大前提：1. 結構安全的要求是一致的，規範是設計的最低要求-------最低。2.計算軟體只能幫我們計算結構，但不能幫我們評價結構是否安全。3.既然說到計算軟體，那我覺得UP主主要還是想討論設計這一陣營。
1. 容許應力法（材料強度極限的安全係數法）
2.安全係數極限狀態法（抗力達到極限狀態的安全係數法）
3. 概率極限狀態法（抗力達到極限狀態的概率分項係數法）
4. 經驗的安全係數法（經驗安全係數，如拉索、拱肋穩定）
其中，概率極限狀態法有明確的可靠指標數學值，從數學統計的角度可以計算出可靠指標（失效概率）。
所以，我理解UP主問題中安全性反應到規範中的描述就是安全度、安全係數的概念。
以下是我國規範對於各類結構的設計方法：
其中： *：新規範在編（極限狀態法）； **：新規範在編（容許應力法），除了鐵路規範，公路與建築結構我國目前均用概率的極限狀態法。
一、容許應力法
材料強度：帶保證率的極限強度（強度標準值）
容許應力：帶安全儲備的容許值 安全儲備：根據不同條件，經驗確定效應計算：材料彈性，作用為標準值
二、安全係數極限狀態法
三、概率極限狀態法
四、經驗安全係數法
以上就是設計規範中主要設計方法的概述了，我們可以看出各種設計方案都是建立在一定安全係數保證的安全儲備上的，比如我國規範中採用較多的概率極限狀態法，公式中的材料分項係數效應分項係數、結構重要性係數，都是建立在可靠度指標之上的:
所以如果正如UP主所說的上上下下都合乎規範，那麼規範所保證的安全度就完全沒有問題，但是，正如大前提所說，規範是設計的最低要求！
以上是我對於UP主所提到的「被蠶食」的安全性的理解與闡述。
-------------------------------------------泥耗我是分割線------------------------------------------------對於up主另一半問題，我要講的就比較少了，我重複一下大前提中的話：計算軟體只能幫我們計算結構，但不能幫我們評價結構是否安全。-------------------------------------------泥耗我還是分割線------------------------------------------------人類社會是不斷發展的，土木行業也一樣，結構設計的目標越經濟、越安全、越美觀，這些目標不應該是衝突的，計算機的發展，計算軟體的發展在實踐中起到的作用應該是極為正面的，比如計算機電算解決了高次超靜定的問題，從而造就了無數跨海、跨江的懸索橋、斜拉橋等，又比如規範上無從描述得局部構件計算問題，正是有限元分析可以讓我們弄清異形構件的應力應變狀態。作為一名結構工程師，任重道遠以上，2013/8/26有限元提供的僅是參考，在減少材料提高力學性能方面是肯定的。加多少保險係數還是人為定，就像對駕駛技術吃不準可以開慢一點嘛
這分明是兩個問題，干毛攪合在一起
我驗算過我公司之前做過的幾座橋，配筋量比實際需求多出一倍有餘，這在建築行業是不可想像的，從建築行業轉來路橋發現這個行業就是人傻錢多，連規範都遠遠落後
有限元只是對結構進行分析而已，為什麼施工人員、生產廠商的黑鍋要讓結構工程師來背？
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