岩石工程类比设计原理的探究

【摘 要】伴随近几年来岩石工程的增多，设计作为岩石工程建设的重要环节，成为影响工程建设的关键，本文作者以现代岩石工程类比设计为基础，解释了现代岩石工程类比设计的基本原理和思想，强调了岩石工程类比设计的重要性和关键性，综合分析了岩石工程类比设计的优缺点。阐述了岩石工程类比设计的基本步骤，并概括归纳出以下几点内容。

【关键词】岩石工程 类比设计 原理

1 岩石工程设计

1.1 岩石结构的复杂性

作为一项具有重要意义的工程建筑的岩石工程，其建筑主体同建筑的结构物相比较有着鲜明的特点。岩石工程建筑结构所用材料的性质、岩石工程结构物构件的类型、岩石工程建筑物的尺寸以及结构的形式都是被明确规定好的，目前为止对于岩石工程建筑结构的分析已经十分细致了，所以在进行相应的计算的时候可以直接引用[1]。其实，岩石是一种有着很复杂结构的物质。

（1）实时考察岩石可以把它的历史分为“建造中”和“改造中”两大部分，然而进一步更为详尽的地质历史目前是无法确定的。（2）岩石的组成成分和结构形式要想弄清楚还有一定的难度。（3）不能使用测定其他工程材料的精确度来测量岩石材料的性质。（4）岩石在复杂的地理环境当中没有确切的边界。（5）一般来说，岩石是多相体系。

因为岩石和工程施工的复杂性，到目前为止，岩石工程当中的计算数据和真实情况下的数据有着很大的差别，不可以直接引用。由此看来，工程师一般会使用类比的方法来进行岩石工程的设计[2]，其中的计算数值则只能作为参考数据[3]。

1.2 岩石工程的设计概念和类比

通常地将，岩石的工程设计可以大致分成概念设计环节、具体方案环节和审核计算环节三个环节。概念设计这个环节最开始的时候是针对抗震性质而设计出来的。因为地震有着显著的不确定特点，所以在进行结构抗震设计的时候，概念设计是最为重要的。抗震作用的概念设计聚焦于工程结构的总体上的地震反应，通过岩石工程的结构破坏成度以及损坏的机制，综合运用抗震设计的各项原则，系统、全面地解决岩石工程结构设计方面所出现的基本问题。然而，因为岩石工程也有着明显的不确定性，所以近几年来，概念设计也被逐渐引入到岩石工程当中。从本质上来讲，很多工程的设计都是以概念设计为开头的， 最后慢慢演变成各种各样的实施方案，在工程概念设计的最后检验设计方案是否合理可行。岩石工程之所以与众不同，是因为在工程设计当中概念设计所占地位的重要程度要明显高于其他工程，其中理论的计算值只作为参考数值。需要重点强调的是，岩石工程的设计不是那些线性的推进，不能避免重复和反馈。

工程设计过程里概念设计的主要任务是对工程里出现的问题提出解决办法，其可行程度主要取决于设计人员对那个工程项目目标的认识程度，以及对技术运用、约束条件的把握程度。现如今，岩石工程的设计一般是运用类比设计的方式来完成的。类比推理的思维方式是一种十分重要的思维方式，在人们的生产活动中起着重要的作用。虽然类比推理有着诸多的优势但是到目前为止，人们还没有对类比推理进行深层面的研究和探索。从本质上来讲，类比推理是逻辑方面的问题，然而研究工作却很难进行下去。

1.3 以往的类比方法

简单来说，类比设计其实就是参考比较以往的相似的工程来进行设计的一项技术。但目前为止，岩石工程设计基本是把“类比设计”作为核心，不能够达到工程建筑结构物体的设计要求。

1.4 改进已有的类比方法

很明显，以往的类比设计方式已经不能满足当代物质的发展水平，为了能够更好地发展岩石工程，必须对以往的类比设计方法进行改造，这种改造基本上可以分为直接改进、间接改进以及从定性分析到综合集成三个途径。

1.4.1 直接改进

这种改进方法能够尽最大限度使之达到半定量的水平，但是由于缺少对分层的研究，所以去比较直接计算的可比度是比较难的。

1.4.2 间接改进

间接改进就是指组建专家团队，通过这种方式来解决问题。然而，虽然现如今的专家体系的研制和开发有很多，但是可以达到标准的却很少。此外，还存在输入数据信息量较大以及运行的效率低下等诸多问题。

1.4.3 从定性分析到综合集成

这种改进方式可以使设计达到一半以上的半定量水平。分类的类比和典型方法是人们处理问题的根本方法，针对多数的隧道工程没有条件进行岩体力学测试的实际情况，合理运用我国现有的测试成果，引用围岩分类的概念设计理念，总结出具有代表性的工程资料，为多数的岩石工程提供设计资源。与此同时，重视一般的隧道工程的测量资料，以此作为工程修正和验证的材料。

典型的类比分析方法是隧道工程当中最喜欢运用的一种分析方法，是以往有的分析方法的延拓和发展：典型的类比分析方法把那些圆形的断面净水压力场不断简化进行热工解析分析计算，变成现在的可以考虑实际情况的分析方法；从以往的个别的专家按照各自经验自主判断以及选定综合修正的系数到现在的可以综合考虑围岩分类、现场数据采集以及反分析位移数据等项实用技术，并在整个专家团队经验的基础上，用在特定情况下的反馈和修正，选定出综合修正的系数。

典型的类比分析作为综合集成里的一种应用，优势之一就是构造了一个框架，可以集合各个方面专家团队的意见和建议，整理运用到岩石工程的类比设计当中。但是这种系统性质的综合处理方式削减了岩石工程概念设计的功能，所以在其他的工程设计里很难运用。总的来说，岩石工程类比设计还不够明确，不够规范，运行的效率也比较低。

2 岩石工程的类比

2.1 类比设计的对象

说白了，类比就是两个对象之间的比较，类比推理大致上可以看作是一项比较特别的归纳推理。要是，两个要类比的对象之间有着某些相似的地方，那就可以根据其中一个对象的一个已知的特性来推理出另一个对象的某种特性，这就是类比推理的过程，也可以叫做类比迁移。

2.2 类比设计的原理

类比和推理一样，要求要达到一定的条件，包括：类似性质、系统性质、选择性质等，能够把这些性质当作类比的基本原理。

第一、类似性类比设计原理：通常认为，类比推理是把类似性作为类比的基础。如果两个类比对象有着某些相同的特性，但是在描绘特征值的时候有区别，就叫这种相同的特性为类似特性。如果两个对象存在着类似特性，就说这两个对象有类似性。就是说这两个对象相似，而且要说明他们相似的特性。

第二、选择性类比设计原理：众所周知类比的中心环节就是选择类比的对象。选择的原理指的就是用在过滤互相匹配的特性。

第三、目标性类比设计原理：岩石工程设计把解决主要问题作为设计的目标。目标性类比设计的原理就是目标驱动化。

第四、类似程度：类似是指把主要的给予适当程度的概括。这两个事物的类似程度随着他们的共同特点的增多而相应地增多，随着这两个事物之间差异的增多而相应地减少。两个事物的类似程度越低，类比推理的效果相对就较差。总而言之，岩石工程设计困难比较大，很难一步确定。要想用一个定量的指标来表示这些复杂的对象，还要进一步的研究。

第五、系统性类比设计原理：在岩石工程类比设计的过程当中必须遵守这个原理。系统性原则指的是把类比的两个对象当作系统，而系统都有着一定程度的特点；类比就是把这些对应的特点匹配起来，所以要从系统的层面来考虑类似性。

3 研究成果

根据已有的认知心理学的原理，可以把岩石工程的类比设计划的程式分成目标性的表征课题、类比检索和映射系统以及迁移解答和概括图式三大类。众所周知，类比设计的前提条件是，对基础性的课题以及目标性的课题做出合理的表征。目标性的课题的表征指的是对问题进行基本定义，而基础性的课题的表征不但要求对问题进行基本定义，同时还要对这种问题进行相应的解答和表述解答结果，由此看来，基础性的课题的表征是一种高水平的设计工程。

到目前为止，一部分研究人员已经在岩石工程的概念设计以及图示归纳方面做出了不小的成果。这些研究人员根据土质的条件细致划分出不同区的土层，并通过大量的工程实践经验，归纳整理出了各种类型土层工程建筑的几大注意事项；通过了类比的方法设计了结构的选型；通过专用的软件对工程数据进行精密的计算；通过比较选出最终的实施方案。例如郝晓平济南地区的典型地层深基坑工程为研究对象，并成功提出了相应的类比设计的初步计划和初步思路。她把该施工地区的土层根据土质等性质分为了三个地层，并且总结了以往的大量类似工程的经验，设计出了适合该工程的特定的设计方案。在设计的过程当中，运用了多种科学的设计方法，综合多种经验，最终筛选出了最为节约资源，最能实现长远发展的设计方案[1-2]。虽然，到目前为止，我们已经在岩石工程的类比设计领域当中取得了一定的成就，但是这些都是在表面上的研究成果，要想得到进一步的理论成果进一步促进我国岩石工程更好、更快发现，还需大家的共同努力[3]。

4 结语

在岩石工程的设计过程当中，类比设计的方法是很重要的。然而，在理论上对其进行探讨是很局限的，本文作者希望通过阐明岩石工程类比设计的实质和重点，来提升当代岩石工程类比设计的水平。不可否认的是，到目前为止，我们已经在岩石工程的类比设计领域当中取得了一定的成就，但是这些都只是在表面上的成果，要想进一步促进我国岩石工程的快速发展，想形成更加完善的类比设计，赶超其他世界大国，还需大家的共同努力。

参考文献：

[1]马建，孙守增，赵文义，王磊，马勇，刘辉，张伟伟，陈红燕，陈磊，魏雅雯，叶飞.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报，2015，05：1-65.

[2]吴磊.深部硬岩巷道支护技术研究[D].中南大学，2010.

[3]李世辉.典型类比分析法的原理与实践[J].工程地质学报，1993，02：52-61.

[4]郝晓平.济南市典型地层深基坑工程支护设计方法与结构选型探讨[D].济南：山东大学，2008.

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