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工程学和公共安全之间也是如此。所有的桥梁和建筑物都可以建造得比现在牢固10倍,但这会极大地提高成本,而成本的来源不是税收,就是私人投资。同时也会引起争议,为什么要牢固10倍?既然现在只有非常少数的桥梁和建筑物发生坍塌,那么在结构上牢固10倍无疑有些过度。这种极端的保守主义不仅会使经济紧缩,也会彻底改变那些我们所熟知的建筑风格,使我们的建筑环境变得体积臃肿而庞大。是的,人们会认为10倍过于牢固。5倍怎么样?人们同样会认为5倍也太过牢固,这种对于数字的争议表明现在的规格没有改变的必要,但是只要人们认为这些数字会带来变化,那么在牢固程度是改进5倍还是10倍的争论就会持续下去。但是在欠发达的国家人们可能不会奢侈到去争辩这种风险或者去讨论这种悖论,因此我们可以期待他们的楼房或锅炉会以对于我们而言不太寻常的频率发生坍塌或爆炸。
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尽管似乎有些冷酷无情,但是结构可靠性的影响不仅可以以生命还可以以材料的牺牲所付出的代价来衡量。这已经在由贝特立·哥伦布实验室协助美国国家标准局最近的一次研究中得到了证实。这一研究发现包括镜片破碎、公路断裂、桥梁坍塌、机器故障在内的多种破裂现象每年要花掉1000多亿,这笔花费不仅包括实际破裂造成的损失,还包括预先想到可能会出现损坏部分的更换和修复的结构保险。许多与交通运输和建筑工业相关的资金投入增加,主要用于采用过度设计(把东西做得比需要的重)预防破裂、维护(注意裂缝的发展状况),以及用于对资本设备的投资,包括储存一些备用零件以备失效时使用。1983年的报告进一步总结道,通过更好地利用已有技术,以及通过未来的研究而得以改进的破裂控制技术,将使与断裂有关的花费减少一半。
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最近对于我们基础设施(供水、排水系统,以及我们习以为常的公路和桥梁网)状况的研究表明,这些基础设施在这个国家的许多地区被严重地忽视,以至于如果想将它们恢复到原有状态要花掉成百上千亿美元。(一些预算显示总数将高达3万亿。)导致这种结果的部分原因是因为,在能源和人事费用在地方预算占据比重越来越大的年份中,为了节约开支,维护工作被一再地推迟。在纽约这样的大都市中,一些水管已近百岁或者更老了,但它们却从未被设计或被期望为永久使用。理想的情况是为了保持整个供水系统处于一个合理的牢固状态,此类水管应该不断被替换,这样主供水管道破裂的可能才会微乎其微,因为这样的爆裂会引发严重的后果。1983年一个安装于1915年的自来水总管在曼哈顿市中心爆裂,大水淹没了一家地下发电站,引发火灾,6个变压器出现故障,导致供电系统中断,而断电的那几天恰巧是那年万名消费者从全国各地涌入纽约时装街购买下季服装的时候。断电的区域正好覆盖了服装展销室所在的街区,本应充满疯狂的地方现在却只余心痛。被迫中断的生意带来的经济损失高达数百万美元。
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为了理解工程师是怎样努力去避免类似的结构、机械和系统故障,进而理解错误是如何产生,以及带来深远结果的事故是怎样发生的,我们有必要去理解,至少是部分理解一下工程设计的本质。工程设计是一个设计的过程,在这个过程里,科学家的“既有世界”和工程师的“制造世界”中多种部分被重新组装成某种自然界无法想象的事物,也可以说是让工程与科学脱离,与艺术结合。工程实践所包含的技术经历就像诗人面对空白纸张、画家面对空白画布、作曲家面对寂静键盘的过程一样,工程过程和工程作品与诗、画和音乐一样都是易于理解的。事实上,我们都在儿时运用艺术创造的基本原理创造出令我们的父母引以为傲的作品,我们都在学习平衡身体,都在把积木摆成更高难度造型的过程中经历过结构工程的本质。我们学会忍受最无聊的鸡尾酒会而不至于引发类似我们的身体或者酒杯屈从于地球引力这类社会事故,很久以前我们便已经学会如何在高耸的积木塔楼中爬行、坐起、蹒跚。如果我们能记得我们儿时为了能从父母和他们朋友的腿上站起来时所做的努力,那么我们就能开始欣赏工程师们的工作和取得的成就,无论他们在巴比伦被叫做建筑师还是在洛斯阿拉莫斯被称为科学家。他们所有的努力只为了一个目标:建造一些以前从未有过的建筑,改造自然,当然首先他们要努力排除所有的故障。
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人是会犯错的,由人建造的建筑也是如此。因此结构工程的历史,广义上就是工程的历史,这是失败与成功交织的历史。成功也许很重要,但失败教给我们更多。也许正因为如此,几乎所有历史都无不包含了经典的失败,而这些失败往往也标志着新的开始和新的成功。《汉谟拉比法典》也许促进了重建寓所的牢固程度,但却无法促进房屋的革新,更不用说摩天大楼和桥梁,因为建筑者怎么能够在这样的法典中找到动机去建造一所他认为会更好但却无法经过实验的房子呢?这并不是说工程师们应该被允许肆意实验,而是要我们意识到人类的本性就是超越过去,建筑如此,艺术也如此,工程学就是一种人为的尝试。
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当我还是一名工程学的学生时我很害怕那份想象中毕业后将会降临到我面前的责任。我在想我能百分之百地保证我所建造的东西不会破裂、坍塌,不会导致一些人死亡吗?我知道我对课本的理解还不完全,我的作业很少不犯错误,我的成绩也不是全优。这些问题困扰了我一段时间,我想知道为什么我那些无论是得A还是得C的同学都没有因为同样的恐惧而止步不前。这个话题从未出现在我们的谈话中,为了避免面对这个问题,毕业后我并没有立刻去寻找一份工程师的工作,而是考取了研究生。从那以后我才开始意识到我的担忧在工程学的学生中间并不稀奇,事实上,即使不是全部但也有很多学生都经历过对成功的自我怀疑和对失败的恐惧。医科学生担心永远地失去一位病人,律师担心输掉一场重要的官司。但是如果我们都去躲避我们各自的工作和职业带来的恐惧,那么我们希望避免的事情就一定会发生。正因为如此,所以无论我们从事的是什么行业,我们都在尽最大的可能努力地练习,我们希望做到最好。结构损坏的罕见证明了这样一个事实,那就是至少工程学即使在它设计最大胆的时候也不会去冒过度的风险。
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因此,问题不仅仅是为什么会发生结构事故,还应该有为什么事故的数量没有更多?数据显示,能够占据头版头条的事故就像它的新闻价值的成因那样不常发生,但是为了理解为什么结构事故的风险不是绝对的零,我们必须要明白在设计前所未有的项目时人们遇到的工程问题也是前所未有的。了解了这一点,我们不仅会理解事故发生率这么低的原因,还会理解继续降低事故发生率所要面临的困难。尽管在理论上我们可以使代表风险的指数如我们希望的那样接近零,但是无论集体还是个人所表现出的人性本质似乎都在抵制实现这样一种无风险的社会。
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设计,人类的本性
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设计,人类的本性 我 们都是某种类别的工程师,因为机械和结构的原理就存在于我们骨子里。当我们学会走路时,我们必然就学会了摆脱重力支撑身体的方法。我们用大脑这台计算机计算出胳膊和腿的运动轨迹,我们接到棒球和足球的概率比最先进的导弹拦截系统要高很多。人类的进化也许并不一直都是最伟大的工程壮举,但这一点仍旧会令我们感到惊叹。尽管很多人已经忘记我们曾经知道多么多的工程原理和工程实践,然而少年时代的歌谣和童话却保存了能证明我们确实知道很多的证据。
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我们生在一个信任和风险交织的世界。从我们出生的那一刻起,我们就习惯于伴随着灾难性结构事故会或不会发生这两种同时存在的可能性生活。给我们接生的医生和在产房抱着我们的护士都是漫不经心的人类吊车和铲车,他们从接生到将孩子倒过来拍打,到带给妈妈看,到清洗,到印模,到给婴儿带上标识腕带,到抱着婴儿给父亲看,到送到婴儿室这个过程中移动过无数的婴儿。我提心吊胆地看着我自己的孩子被这样移动,被这样重新安排,这个过程让我筋疲力尽。在某时某地某一个婴儿一定被失手掉下来过,某个医生可能会粗心大意,某位护士也可能会一时走神。但是作为婴儿或者作为父母的我们不能、不可以,也不应该只想着那些遥远的可能性、那些可怕的情节,否则我们可能会将人类定格在产房。相反,我们的童谣帮助我们想起的却是难以名状的宁静。
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摇啊摇,小宝宝,
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沉睡在树梢。
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风儿吹过来,
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摇篮摇啊摇,
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摇断大树枝,
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摇篮地上掉,
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宝宝、摇篮都往地上掉。
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从医院回到家,我们被父母、朋友、亲属捧在手中——我们是结构上虚弱的家族成员。我们被无助地抱起穿越厚重的地毯和坚硬的地板,会走之前我们先骑,但也冒着可能会从叔叔那突然不灵便的腿上掉下来的危险。我们在没有一个是注册结构工程师的母亲和姨妈之间、邻居和父亲之间、兄弟和姐妹彼此之间,在没有任何计划或蓝图的情况下,被传送于由他们举起的胳膊临时组成的桥梁之间。最后我们回到了妈妈和爸爸的身边,我们忘记了刚才的害怕反应,我们学会信任他们的臂膀和我们童床上的桁条、大梁和支柱。我们与世界合二为一,在引力的膝盖上小睡。我们的思想在无重力地漂浮,但是我们的耳朵却在倾听唤醒的声音。我们倾听结构体带给这个寂静世界的兴奋私语,我们从摇篮曲和玩耍中歌唱的桥梁获悉,不仅我们需要关心摇篮,那些基础设施亦是如此。
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伦敦桥正在倒下,
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正在倒下,正在倒下,
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伦敦桥正在倒下,
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