1700548355
1700548356
安全系数并不是一个新的概念，1849年奉命调查铁路桥梁中铁材的使用状况的皇家委员会就曾询问过当时一些著名的工程师：“你认为使主梁断裂的重量应该是最大负载的几倍？”不列颠桥的设计者罗伯特·史蒂芬森，大西部铁路的工程师伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔和水晶宫的工程师查理斯·福克斯等人给出的答案在3～7之间变化。当被问到：“你认为桁架需要能够承受最大负载的多少倍它才是合格的？”专家们给出的答案为1～3不等。委员会最后总结到，铁路桥梁的适宜安全系数为6。
1700548357
1700548358
一个真正的结构体不是只有主梁和桁架，还有支柱和其他的构件，因此结构体发生事故的原因有很多，与结构体相关的安全系数也很多。通常情况下，最小的倍数就是我们所说的安全系数。普林斯顿大学的大卫·比林顿教授所作的结构研究在为华盛顿纪念碑计算安全系数时，考虑了3种可能引发事故的途径：方尖纪念碑基底上方沉重的石料压碎基底的石料；大风掀翻结构体；结构体在风力的作用下破裂。研究发现与前两种事故模式相关的安全系数大约是9，而破裂模式提供的安全系数只有3.5。因为风力与风速的平方成比例，因此这个安全系数就意味着只有当哥伦比亚地区的风速达到以往最高风速的2倍时，它才能吹倒这个著名的纪念碑。因此，3.5的安全系数似乎足以保证任何能够想到的合理手段都无法使结构体发生事故。
1700548359
1700548360
安全系数通常隐藏在所有的工程设计的判断之中，但有时安全系数也要清楚明晰地运用到计算之中。不知为什么，在凯悦酒店人行天桥的设计之中，这两项似乎都没有做或者说都没有准确地完成。国家标准局对人行天桥的事故分析认定，最初设计的连接点平均只能承受18 600磅的负载，这与每个连接点支撑的结构体本身的净重很相近。因此从本质上来说，它的安全系数是1——没有为错误留有余地，也没有多余的容纳能力来承载人们在人行天桥上的走、跑、跳或舞动。一个安全系数这么低的设计是怎样被允许施工的牵扯到法律问题，由于诉讼和反诉众多，整个事件也许并未得以完整的陈述。然而，如果人们想在不用圆柱妨碍（一楼）地面交通的情况下，让一个结构体横跨中庭，该怎么办呢？
1700548361
1700548362
要想设计出像堪萨斯城凯悦酒店人行天桥这样的人行道，意味着，首先，要对如何横跨120英尺的酒店大厅有一个大概的认识。如果要在不妨碍地面交通的情况下做到这一点，我们就能理解人行天桥这个概念是如何出现的了。人行天桥的理念是让酒店的客人从大厅的一边——他们房间的位置，到大厅的另一边——会议室和游泳池之所在，而不用必须走到一楼，穿过（拥挤的）大厅，然后再上楼到达他们的目的地。这些功能和建筑方面的需要使得人们想到了桥梁这个概念，大厅的两侧就是河岸，大厅的地面是河流或港口，而且河上和港口的交通也不受影响。悬索桥正好符合了以上这些条件，因此从天花板上悬挂通道的想法也就并非想象力的伟大飞跃了。因为大厅有4层高，因此需要3个独立的平桥，不知为什么，大概是出于结构以外的原因，人们决定在2楼建造一座人行天桥，并在此桥的正上方，4楼也建造一座，用此抵消掉3楼的那座。勾勒出大概的轮廓之后，设计师的任务就是挑选用以实现这个概念的结构部件。房梁的间隔在某种程度上决定了支撑物连接点彼此之间的距离，类似的要作的决定还有很多，比如铁杆件的尺寸，主梁的式样和尺寸，以及用一个合理的安全系数将它们联在一起达到预期效果的各种细节。
1700548363
1700548364
给不同部件确定尺寸是一件棘手的事情，因为人行天桥表面下的主梁和桁架的尺寸决定着人行天桥的重量。反过来，人行天桥的重量也决定着起支撑作用的主梁和杆件的尺寸。最小的梁也最轻，因此用它建造的结构也会轻很多，便宜很多。但是如果主梁的尺寸同样的长度比起来过小，那么它们不仅可能不太牢固，因承担不了自己以及水泥地面和人行天桥上的行人的重量而发生损坏或断裂，还可能在孩子们奔跑的脚步下变得易弯曲、易晃动,甚至弯成一个明显与中庭建筑直线不相符的曲度。
1700548365
1700548366
接下来设计师们开始选择部件，在设计图纸上进行组装，然后计算他认为重要的各种各样的负荷，挠度（deflection）和安全系数。正是在这里设计师开始真正地考虑结构体的失效方式——比如可能下凹过大，可能某个个别的梁、杆或连接点承载的负荷过多——因为只有预测出故障，设计师才能计算安全系数。早先结构成功或失败的经验对于这个阶段上的设计具有很大帮助，因为在类似的结构条件下奏效过的设计会使设计师在确定尺寸和加工细节时，伴随着几分自信。而了解失效过的设计，可以使设计师特别留意那些潜在的薄弱环节。富有经验的设计师和设计员对坍塌的凯悦酒店人行天桥在设计和细节上的马后炮地选择了劣质的箱型梁和吊杆接头这一点一致持批判态度，但很显然，最初的设计者和对设计进行修改的那个人要么没有把这个细节看作一个潜在的薄弱环节，要么错误地计算了它的安全系数。
1700548367
1700548368
人行天桥这个设想不周的案例强调了避免故障这一设计理念。在一片空地上架桥需要满足的结构条件作为一个积极的目标是可以通过归纳法实现的，而设计师在图纸上的设计（相当于一个假设）是否成立却无法用演绎法加以证明。设计师的目标是要认识任何一个与他所做的在结构上并不充分的假说相反的案例。在中庭上方建造人行天桥的案例中，提出的假设是按照这个设计建造的桥梁能够横跨在大厅上方而不会掉下来。这个假设的正确性我们无法证实，但是通过分析吊杆与箱型梁的连接点，发现它们无法承载预期负荷，我们就可以发现这一设计的不足之处了。
1700548369
1700548370
每一个新的结构设计——横跨酒店大厅的人行天桥、河上的悬索桥、能够飞跃大洋的大型客机——都是一个先要在图纸上或者实验室里接受测试，最后因其无故障地行使了它的功能而得以被证实牢固度的假设。然而，正像堪萨斯城凯悦酒店的人行天桥、索拉桥和DC-10大型客机表明的那样，即使在投入使用后的一年或几年内取得了成功，也不能证明这一假设就是成立的。但是，如果我们不愿意去尝试那些没有被尝试过的东西，那我们就不再会有机会对新建筑空间的使用方法感到惊叹，我们将被迫在过河时只能乘渡轮，我们也不会享受到跨大西洋的喷气式飞机服务了。尽管人类的本质使得我们避免不了犯错，但是我们的决心也必然会引导我们走向成功。
1700548371
1700548372
科技通过我们不断地试图理解失败的原因而向前发展，我们也总是从错误中吸取教训以免它们再次发生。但是随着新的结构设计或材料不断地被应用到新环境之中，而且也没有迹象表明人们会为了绝对的可预见性而要完全放弃创新，因此失败现在会发生，将来也会发生。这与《能人法贝尔》中要把楼建得更高，把桥建得更长的技术动力也不相容。每一个新的结构假设都会有反驳它的反例，明智的设计者会对那些吸引他注意力的可信反例马上作出反应。
1700548373
1700548374
尽管设计工程师确实从经验中学习，但是每个真正的新设计都会包含一些不确定的因素。与该做什么相比，工程师总是对不该做什么了解得更多。这样，工程师的工作是一种预知的理论体系和论战经验同等重要的工作。通过理解工程学历史上的成功与失败，工程师们不断地提高预见他们自己新设计行为的能力。失败尤其具有启发性，因为它为我们下一个设计方案提供哪些是不可行的线索——它们提供反例。
1700548375
1700548376
当然，大多数实施建设的工程设计假说都不会失败，另一个传统设计结构上的成功和一个人没有抢银行或没有咬狗一样都不再是新闻。反常的东西才会上报纸，反常的东西才是人们的谈资。因此，谈论工程失败是在间接庆祝无数次的成功。
1700548377
1700548378
1700548379
1700548380
1700548381
设计，人类的本性 [:1700547371]
1700548382
1700548383
设计，人类的本性
1700548384
1700548385
一、失效经常成为共众泄愤和嘲笑的目标。由于19世纪的铁材铁路桥梁出现裂缝和坍塌的速度让人无法接受，约翰·坦尼尔那个可怕的雕版画《贪得无厌的死神在等待着不可避免的事故》在1891年被刊登在了《笨拙》杂志上。1979年，当似乎每个地方都在发生巨大的工程事故时，社论漫画家托尼·奥斯提出了他对这一问题的解决方法。
1700548386
1700548387
1700548388
1700548389
1700548390
1700548391
1700548392
1700548393
二、如果我们一直担心会从医生的胳膊上，飞机的机翼上或者其他任何我们必须依靠的悬臂梁上掉下去，那我们根本就没法活了。工程设计的目的就是预先考虑到出现事故的可能，然后避免它。通过计算出一个结构体的最大承载量，我们可以做到这一点。伽利略是第一个用理性的方式解决悬臂梁问题的人。尽管他在17世纪对这一问题的分析与他这块精心制作的木刻（就是试验用的那块木头）相比准确性超差，但是随着工程师对材料强度的理解越来越精确，越来越准确，这个物理问题的图解也变得越来越抽象了。
1700548394
1700548395
1700548396
1700548397
1700548398
三、布鲁克林大桥是19世纪工程学领域的伟大成就之一，它的成功一部分要归功于它的设计者约翰·罗布林从许多他同时代失败的悬索桥身上所学到的教训。这里的照片显示的是建设之中的布鲁克林大桥，我们看到的是为了固定缆绳而临时搭建的狭小通道。那块警告牌是在罗布林的儿子华盛顿的坚持下安装的，这块牌子表明了工程师对长的、细的、有弹性的结构体在承受动力荷载时的灵敏度的理解。布鲁克林大桥车道本身装有的深桁材给了它足够的强度和硬度，使它能够承受来往于曼哈顿和布鲁克林之间的装满上班族的铁路车辆所带来的负荷。尽管大桥非常坚固、安全，但是在1883年大桥通车仅一周，当桥体要坍塌的谣言传遍大桥时，桥上的两万人都被吓得惊慌失措。
1700548399
1700548400
1700548401
1700548402
1700548403
1700548404