1700548990
1700548991
例如如果一个人想要设计一件有很多部件的复杂结构体，他可能首先对各种各样部件的尺寸进行有根据的推测，然后计算出它们的应力。如果哪里应力过高，那么应力过高的地方就要被加固；如果一些被检测的部位应力太低，那么结构体中应力过低的部分就要被做得小一些，减轻重量，节省资金。然而，对结构体任何部件的每次修订都会影响到其他部件的应力。如果是这样的话，整个应力分析就要被重新再做一次。显然，在只能用木质或电子计算尺进行手工计算的日子里，这个过程将要受到所要花费的时间的限制，因此通常从一开始就会对结构体进行超安全标准设计，也会以那种方式被建造。此外，设计师通常会回避过于复杂的结构体，因为部件的原始大小甚至都很难被猜测，也就无法合理地执行用于确保结构体安全的计算了。因此工程师们坚持按照他们熟知的设计过程进行结构设计。
1700548992
1700548993
现在计算机不仅可以在合理的时间内自动执行数以百万次的简单、重复的计算，还可以被用来分析那些在计算尺时代被工程师认为是太过复杂的结构体。计算机可以通过特殊的程序包——它们的开发者声称它们相当方便——对这些结构体进行分析，计算机还可以根据指示计算结构体中各种不同部件的尺寸，这样就可以算出每个部件具有最高强度时它的最小重量。这就是所谓的“优化”。
1700548994
1700548995
但如果在将设计师的结构方案转化成的数字模型——计算机将对通过自动、机械的计算对这个模型进行分析——的过程中出现了过度简单化或完全错误的情况，这样得到的分析结果可能与现实不符。因为如果工程师本人对自己设计的结构没有大致的感觉，那么他可能没有注意到计算机为这个设计提供的数字有任何可疑的地方。
1700548996
1700548997
电子计算机对设计办公室中的工程师或助理工程师有帮助。计算机辅助设计（以其奇怪的贬义缩写CAD著称）被许多计算机制造商和计算机科学工程师竭力地许为未来的工具。但迄今为止，计算机已经成为了许多不安全设计的动因，但同时它也作为“超级大脑”来解决人类工程师很难用纸和笔计算出的过于复杂的问题。人们对计算机处理复杂问题的能力的错误认识使得一些工程师越来越依靠电脑来解决他们习惯于避开的问题，因为他们更多的是注意到了自己的局限，却很少意识到计算机也存在它自己的不足。
1700548998
1700548999
使用计算机时被普遍忽略的事实，也是设计的首要目标，仍然是避免事故，因此，明确鉴定出一个结构体会如何出现事故至关重要。尽管有人尝试在计算机中装入人工智能程序，使其成为一个“专家系统”，还有的人梦想着最高配置的计算机辅助设计系统能够让计算机从记录各种事件的文件中（存储在计算机上的）吸取经验，但事实上只凭计算机自己无法做到这一点。直到这种牵强的想法成为现实前，使用计算机进行设计的工程师仍然得考虑这些关键的问题：地震袭击核电站时，这个没有被正确焊接的管子会不会爆裂？这种方式装置的汽车，以每小时10英里的速度撞击墙壁时，车身会不会起皱？在下大雪时，支撑屋顶的成千上万个金属杆中，会不会有一个折掉导致屋顶坍塌到人员密集的地方？
1700549000
1700549001
人们可以对计算机提出诸如此类的问题。这些问题是否会被提出，与“彗星”号被排除的疲劳问题和凯悦酒店人行道设计改动后未对其效果进行检测一样，都取决于人类的判断。如果人们想到了这些关键问题，并且能够将它们表达出来，那么计算机模型能够对这些问题作出解答，但这个答案是否详尽仍需要人为的判断。作为档案管理者，计算机工作起来非常快，但在对工程问题进行分析时它就不能如此快速地工作了。设计中最重要的一个问题就是在使结构部件持续变形的负载量下金属的反应。把一条硬钢放入一台测试机，拉这条钢直到它伸直，并像一块太妃糖一样断掉只需要几秒中，而在大型计算机上模拟这样一个基本测试则需要几个小时。
1700549002
1700549003
一个典型的核电站中会有数英里长的管道，确定一段10英尺长的管道在受到来自泄漏的水和蒸汽的力的作用时所产生的裂缝的宽度和长度需要几台最大型最快速的计算机不间断地运算一整天。这个计算的结果很重要，因为它不仅可以用来确定管道上可能出现一个多大的裂口，同时还可以决定在假定的条件上（由人类工程师提出的）管道是否会完全破裂。因为要检查每一条能想到的管道上的每一处可能出现的裂缝位置、大小和类型或许需要数年不间断的计算和数百万美元，因此人类工程师必须像以前一样对最可能发生情况和管道最可能出现故障的方式作出判断。电脑不会思考，它只根据数字运作，而且一次只能解决一个问题。它看到的管道必须有确定的直径，确定的裂缝，确定的强度和确定的负载量。此外，破裂管道的计算机模型必须对假定事故中裂痕的产生过程的有一个精确构想。所有这些详细的说明都是由人制定的，因此，计算机的计算结果对系统安全性而言是决定性的，人们对此提出的假设也同样至关重要。
1700549004
1700549005
计算机是福又是祸，因为它使超出人体持续承受工作能力之外的计算成为可能，而同时这也使得人们实际上没有办法对其进行认真核对。对三里岛事故进展情况的同期解释如同天气预报一样多变，甚至在事故正在进行中的时候，人们仍然在仔细检查核电站的计算机模型，从而试图找到事故原因。
1700549006
1700549007
不幸的是，若没有计算机和复杂程序的帮忙，核电站和其他复杂结构就无法被设计出来。当人们在长久以来被用来确定以全功率运转的核电站的安全性的一个程序中意外地发现一个错误时，人们困惑了。对核电厂中许多管道系统的分析表明事故往往都源于一个小捣蛋鬼一样的小细节，据报道，用于计算管道应力的一个计算机程序使用了错误的圆周率（圆的周长和直径的比率），任何一个学过几何的高中生，比如我的女儿，都能骄傲地比这台计算机背出更多的小数位。另一起管道程序事件发生在几年前，在给计算机的一条指令中发现了错误的符号。原本应该增加的应力被计算机算少了，这使得报告上来的数值比实际在地震中的低。由于一些核电厂在抗震性方面采用这个计算数据，因此人们不得不用改正后的计算机程序对这些工厂进行重新检查。这将花费几个月的时间，如果一些工厂不能在合理的时间内证明它们的安全性，那么它们将会面临被核管制委员会强制关闭的威胁。
1700549008
1700549009
即使一个计算机程序没有错误，它也可能会出现被误用的情况。1978年1月，由于冰雪积压，哈特福德文娱中心屋顶2.5英亩的屋顶被压塌了，而仅仅几小时前，几千名球迷刚刚在这里看完一场篮球赛。这个屋顶是空间架构设计，这就意味着它是由一个三维组合——金属杆件互相连接成三角形和正方形的正规图样——支撑的。 大多数金属杆件长30英尺，8根金属杆件首尾相接。长度计算要确保没有哪根金属杆件会承担过多的负荷，这使得早期的工程师不敢尝试这样的结构，或如果他们必须要做这个设计，他们会把它巩固到过于安全的地步或者增加它的重量使建筑成本不至于太高。实际上，计算机几乎可用于计算所有的可能性，只要其不被用来计算金属杆件的永久拉伸或弯曲性，其他的都远不及计算一条破裂管道这样费时间，工程师能够从这些计算出的数字的稳妥性中获得盲目的信心。但实际上这些数字代表的是对计算机中的空间框架模型问题的解决方法，而不是对在冰雪覆盖下实物的解决方法。特别要说的是，计算机模型可能低估了屋顶承受的重量或者简化了金属杆件的连接方法。连接的方法是设计中的一个细节，将它纳入计算机模型比将把金属杆件的长度和强度纳入模型要难得多，而且，这个细节可以临界力传到物理杆上，并导致杆弯曲变形。
1700549010
1700549011
在对哈特福德文娱中心倒塌后对其结构的再分析中，调查人员发现，事故的主要原因是对组成顶部空间桁架的30英尺长的横杆的支撑力不足。这些横杆发生了弯曲，其中一个弯曲最严重的（都快对折交叠了）是由于承受了格外多的冰雪。当一个横杆发生了弯曲，它就无法再起到它被指定的作用了，而它所承担的屋顶的负载就相应地转移到其他邻近的横杆上。从而引起连锁反应，整个框架很快便坍塌了。计算机为事故怎样发生的这个问题提供了答案，因为问题提得很明确，并且给计算机提供了一个能够回答问题的模型。显然，最初的设计师对于自己过于简单化的计算机模型非常有信心（他们对自己的模型提出了适当的问题），所以当工人对出现在新屋顶的大凹陷产生质疑时，他们被确切地告知这没问题。
1700549012
1700549013
由于计算机可以快速地完成多次计算，所以现在使用它来设计结构体成为一种趋势，包括通过计算每一个部件的最小重量和强度，从而产生最经济的结构体。而当手工计算是标准的时，设计师通常都满足于一个公认是超安全标准设计的，因此有一点过度的，而且或许是双保险的结构体，期待计算机程度的优化是不实际的。
1700549014
1700549015
然而，通过使每一个部件在适当的建筑法规和安全系数的要求范围内做得尽可能的轻，尽可能地高度受力，可以把出现错误的空间降到最低这需要通过计算机的计算、部件制造商生产出产品和建筑工人对设计的执行。因此，计算机优化的结构体可能接近或者根本就是最不安全的设计，正如哈特福德文娱中心的屋顶所证明的那样。电力研究学会一直在资助一个程序用于测试计算机软件对结构的分析能力，以预测输电塔的行为，输电塔存在的问题与三维空间构架屋顶的情况很像。一个巨大的输电塔被建在位于得克萨斯州阿斯菜（Haslet）的传输线机械研究设施里，这一实际结构可以小心地被置于不同的受控负载之下，同时不同部件的反应也会被记录下来。
1700549016
1700549017
把在真实世界测试得出的结果和电脑对输电塔行为的预测进行比较，可以发现计算机软件的验算结果并不是那么尽如人意。计算机对结构行为的预测在只有60%的实际测量值的基础上只用95%的时间,而使用软件的设计师通常期望只花这些时间中的20%，完成95%的测量。显然，一个用如此不稳定的软件设计的输电塔，可能会与哈特福德文娱中心的屋顶一样不可预测。而在此之前，运用在输电塔上的安全系数似乎使存在于乡间的输电塔没有一个发生倒塌的。
1700549018
1700549019
缺乏这些令人不安的试验时，由计算机设计的输电塔的检测成功可能被用来作为降低安全系数的论证。对降低安全系数的保守反对很难持久，因为一个从未出现故障的结构体，如果没有什么别的东西，仅靠时间就可以拖垮对手。但是一个较低的安全系数将不可避免地导致失败，反过来这也会使我们认识到计算机软件对结构体的分析并不像我们想的那样准确。
1700549020
1700549021
因此，在设计过程中尽管计算机几乎是一个必不可少的伙伴，它也是导致设计者过度自信的一个源泉。当人们把它用来为大型但不是特别新颖的设计作计算时，计算机可能不会误导经验丰富的设计师，因为通过自己和别人对类似结构体的经验，他明白有什么问题要解决。如果这样的结构体曾经出现过事故，他就会特别注意在结构中出现相似事故的可能性。然而，当计算机被用来进行很少有成功经验的创新设计时，它可能，也许是非常可能会像计算尺时代的工程师那样出现失误。更多的复杂结构被设计了出来，因为人们相信计算机能够做到人类无法做到的事情，然而，结构体出现事故的可能性却确实提高了，因为我们离经验越远，我们就越不可能想出所有正确的问题。
1700549022
1700549023
除了大型计算机引起了人们的焦虑以外，一些批评家还担心更大的危机隐藏在微型计算机逐渐上升的使用率中。由于这些计算机和大量计算机的软件价格低廉、容易获取，因此评论家担忧一些还只是对专业略懂皮毛的工程师从事此类工作。因为在这个领域中没有经验，与那些使用计算尺进行了很多次演算，从而培养出判断结构正确与否感觉的年长工程师相比，年轻的工程师对计算机演算出的设计缺乏判断力。
1700549024
1700549025
国际桥梁与结构工程协会第12届大会于1984年在温哥华举行，在此次会议召开之前的政策演讲中，加拿大混凝土规范委员会主席詹姆斯·G·马基高对计算机在结构设计原则中的作用表示关切，因为“变化发生得如此迅速，我们的行业也必须评定、考虑这些变化中隐含的暗示”。他接着讨论了将被用于设计的软件的出现：
1700549026
1700549027
因为结构分析和细节设计很复杂，因此整体来看我们这个行业将会用到少数人编写的程序。这些人应该来自结构“分析师”的队伍……而不是结构“设计师”。一般来说，他们的设计和建筑工地的经验和背景往往有限。我们很难设想出一种机制，可以用来确保这样一个人的产品能够显示出一个称职设计师的经验和直觉。
1700549028
1700549029
在设计室中，计算时间的减少可以使工程师在创造构想上花费更多的时间——或者与现在相比，它可以使工程师完成更多的包含较少创造性思维的工作。因为计算机分析有效，所以它会被使用。因为它的计算答案很准确，所以人们慢慢相信它们。增长的数字工作量总体上可以渐渐取代对真实建筑结构行为的核定。因此，设计中使用的电脑必须要经过知识渊博、经验丰富、能够迅速评估答案价值和细节可行性的设计者的校正。比起以往的任何时候，现在对这个行业和教育者提出的挑战是培养能够站起来反抗或修改计算结果——由帮助分析和设计的计算机计算出——的设计师。
1700549030
1700549031
美国土木工程师协会认为“扩展计算机知识”是一个重要问题，于是将它定为1984年米德杯最佳论文奖的主题，题目是“计算机应该被注册吗？”这个题目暗指在工程师能够负责设计一旦出现事故会危及到生命的结构体之前，应该要求他们到州委员会进行注册。只有在短时期内承担一些责任较小的工程工作，并通过专业领域的综合考试之后，才可以得到专业工程师证书。计算机，实际上就是精心制作的电子计算尺和计算器，能够使任何人，无论是否是专业工程师，提出一个让普通人（未受过专业训练的人）十分难忘的设计——从建筑到污水管道系统都可以。米德奖在通告中简明扼要地总结道：
1700549032
1700549033
由于计算机速度快，更准确并且生产率高，计算机已经得到了土木工程设计师的青睐。然而，工程师是否在拿公共安全和福利冒险？许多人预测，未来的工程事故将归因于计算机的使用或误用。软件包的使用会更容易使设计工作超出设计师的专业领域吗？土木工程师怎么能确保计算机程序的准确性，我们怎么能保证工程师有正确使用它的资格？
1700549034
1700549035
在对这些经验少或者年纪轻但却是唯一有资格参加米德杯比赛的协会成员提出这些问题的同时，美国土木工程师协会也承认并且号召未来的专业工程师关注这个结构工程学历史上最重要的发展之一。
1700549036
1700549037
1700549038
1700549039
[
上一页 ]
[ :1.70054899e+09 ]
[
下一页 ]