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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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:
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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。
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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。
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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:
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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?
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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。
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1700549047 设计,人类的本性 1. 暴力秩序是混乱;
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1700549049 2. 大乱是一种秩序。二者是一体…
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1700549051 ——华莱士·史蒂文斯 (Wallace Stevens)
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1700549053 事故的原因就像教训那样多而混乱。当计算机程序或工程结构出错时,审查残损的物体后,往往会发现大量其他无碍的错误和故障,如果未发生事故,人们可能会永远忽视它们。如果凯悦酒店通道的吊杆箱横梁的悬挂细节没有改变最初设想,它们必定屹立在今天,各方人士大概没有料到它会违反建筑规范。哈维兰慧星2号飞机爆炸后,寻找严重瑕疵时,由于发现许多亚临界缺陷,人们对设计进行了约50次主要和局部修改。然而,事故后的检查发现的重多失误通常是由单一的、具备更多可能性的原因控制的。人们曾多次尝试划分结构事故的最终原因,但对于具体分类似乎没有达成共识。
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1700549055 托马斯·麦凯格 (Thomas McKaig) 1962 年《建筑事故》(Building Failures) 一书是供工程师、建筑师和承包商使用的家喻户晓的案例研究集锦。尽管麦凯格清楚地将责任归咎于人为错误,但他认为建筑失误相关的人员也是事故的受害者,他呼吁同情和怜悯。然而,当麦凯格试图解释为何发生事故时,他简练地答道:“建筑事故通常源于人的无知、疏忽或贪婪。”然后他接着引述“很久以前(出处不明)”在一本杂志上看到的一系列“事故的原因”。但麦凯格明确赞同这一匿名作者的列表,他认为这适用于任何类型的工程建设。此外,据麦凯格所说,“很难想象不符合以下分类其中之一的任何主要或次要的失误或困难……”:
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