1700547990
设计，人类的本性 [:1700547365]
1700547991
1700547992
设计，人类的本性
1700547993
1700547994
1700547995
1700547996
1700547997
设计，人类的本性 作 为英国结构工程师学会的官方杂志，《结构工程》每期都在目录页刊登这个被排在补白显著位置上的结构工程学定义：
1700547998
1700547999
结构工程学是一门科学艺术，它要求运用经济而雅致的理念，设计和建造房屋、桥梁、桁架和其他类似结构以便它们能够安全地承受可能会受到的力。
1700548000
1700548001
自从一些工程师否认工程学是一门科学或是一门艺术的说法后，看到这个颇有权威的杂志宣称它两者皆是，真是令人鼓舞。结构工程学确实糅合了两者，因为对一个新的结构设计的构思可能包括一次想象的飞跃以及经验和知识的综合，这与对任何一位在画布或纸上进行创作的画家要求一致。而一旦作为艺术家的工程师清楚地表达出自己的设计后，作为科学家的工程师必须在科学方法的应用上对它进行如同任何科学家都必须做的严密分析。
1700548002
1700548003
英国结构工程师学会的结构工程学定义在同一补白中加入了经济而雅致的思想，这是因为负有责任感的工程学既不会浪费物理资源也不会浪费精神资源。经济约束通常是被市场的需求强加的，但是对雅致的要求常常是行业中的精英们自己强加给自己的，几乎以同样的方式，艺术家和科学家两者都在最节约的画布、在最简洁的理论中，或者在简约美学与设计的公理“简单就是美”中发现了雅致。
1700548004
1700548005
最后，定义在结尾处提到了安全这一理念，安全这一目标最终比经济或美学上的目标更重要，因为由于结构体坍塌而导致的任何一个生命的丧失都能使最有经济前途的结构体成为代价最高的，使最漂亮的成为最丑陋的。结构工程师们的定义以这样一种思想结束，即如果结构体能够“承受它们可能会受到的力”，那么它们就是安全的，然而事实上如果把一个结构体可能在实际中会受到的力一一罗列的话，这张清单是无止尽的，因此，这只是一个象征性的结尾，在这个看上去是一个完整句子的末端其实是没有句号的。
1700548006
1700548007
承受压力，这一想法很简单，但是把它付诸实践可能会相当棘手。一方面，构成工程师建筑砌块的材料强度从来无法被确切地得知，因为在本应该完好无损的链条里总有存在着薄弱环节的危险。另一方面，预测一个结构体在将来某一时刻的受力情况如同预测可能为一些所受之力负责的天气一样困难，并且也不可靠。因此，结构工程学必须经常把可能性以及可能性的组合作为依据来加以接受。一个安全的结构体，它的最弱环节永远不会因为受力过大而过载。为了使这样的概念精确到能够为一个结构体订购正确数量的铁和混凝土，工程师必须预先提出假设，并且尽可能地考虑到除了重力以外，还有什么力会作用于他拟定结构体上，就像要在一个特定的宇宙中，创造出一个小的、被置于其他人造系统中的人造太阳系。
1700548008
1700548009
一门学科的宗旨是建立有关本学科研究对象行为的理论。观察和体验，灵感和不经意发现新奇事物的能力，天赋和好的猜想——加或不加，一撮或少许，都能烹饪出一种科学理论。在这些烹饪食谱中，科学家总是隐形的配料，他的个性为这一菜肴增添了一种难以表达的特有味道。而科学理论与科学家个性的混合，使它无法拥有普遍适用的方法。但是一旦一种理论逐步形成，也许是从一个不成熟的想法发展为一个对科学家参加世界性烹饪比赛作品的准确陈述，那么科学的方法就会被用于评判这一理论的成功或失败，亦或是评判其他具有竞争性理论的相对优点。进入科学烹饪比赛的理论被称为假设，评判的过程被称为假设检验。
1700548010
1700548011
一个科学的假设要接受把它的结论与现实世界进行比较的检验。然而，无论一个人收集到多少例证，它们都无法证明假设的真实性，因为有人可以说人们没有在那个唯一理论与现实不符的情况中考查它。另一方面，仅仅一个假设与现实不符的例子就足以证明这一假设不成立。蜜蜂总是建筑带有六角形巢室的蜂房是一个假说，这一假说积累了非常多的证据，多到几乎都无法再称它为一个假说了。它被设想为一个事实。但是却让某个年轻的养蜂人发现他的蜜蜂建造的是八边形的巢室，这不仅使蜜蜂总是使用六边形的假说永远地被粉碎，也让全世界的蜜蜂专家们很是激动了一次。太阳每天早上都要升起也被认为是一个假设，这种现象的确每天都会发生，我们的这一经历帮助证实了——但不是证明了这个假设。我们只需找出一个没有太阳升起的早晨就可以证明太阳每天早上都升起的观点是绝对错误的。虽然这种情况的发生也许超出了我们的理解能力，然而我们对于太阳明天会升起的信心从本质上来说是一种信念，而不是严格的即成事实。
1700548012
1700548013
就像在市集里蛋糕今年销量最好可店主们却不能保证在明年的集市上蛋糕会成为人们的最爱一样，一个理论目前的成功，甚至一个像“每天太阳都会出现”这样平凡的理论，也无法保证它会一直成功下去。在过去的两个多世纪里，尽管还有一些难以解决的现象，但牛顿似乎已经对行星运动的理论下了定论，直到爱因斯坦提出了他自己更全面的理论。一般认为是爱因斯坦拥有的传统意义上的智慧使他最后得出了正确的宇宙运动轨迹。但是科学发展史强烈地暗示这种说法很武断而且是极不可能的。将来有一天取代爱因斯坦假说的可能是任何一位天才的好的猜想。不仅相对论，还有牛顿定律，连同它们众所周知的局限性，对我们在太空航行，在地球上建造桥梁和修筑水坝都提供了莫大的帮助。人类能够用像牛顿力学这样公认近乎准确而极度简洁的理论取得这样大的成就，是工程学和科学实践中的一个奇迹。
1700548014
1700548015
工程学设计和科学理论的假设有某些共性，但不是对原子、蜜蜂或者行星这样某一特定领域的行为给予假设，工程师是就如何集聚混凝土和钢铁进入工程师们自己创造的世界这一问题进行假设。因此每座新的大楼或桥梁都可以在自己的正当要求下被视为一个假设。 具体点说，一个结构工程师的假设可能是：在这样或那样交通和维修的状况下，横跨某某河的某某桥将会屹立这么多年不倒。现在如果建造了这样一座桥，并且它年复一年无故障地承载着来往的车辆，那么这个假设就会得到一次又一次的证实，但是要等到过了原计划中假定的年份，这个假设才能被证明是成立的。如果在假定的年份结束前这座桥在非特殊的情况下坍塌了，那么毫无疑问原始的假设是错误的。
1700548016
1700548017
工程设计的过程可以被看作是一连串的假设，即对部件做某某安排会无故障地起到预期的作用。虽然每一个假设的部件安排方案都会用文字或图像草拟在计算器或电脑屏幕上，但必须通过分析对候选结构进行逐一检测。分析包括一系列问题，这些问题是关于结构体竣工后，部件在设想的使用条件下的行为模式的。对于不是特别创新的设计，这些问题都很好回答，但是要分析一个大胆的新设计，则需要用电脑将所需计算全部演算一遍。如果任何一个部件没有通过分析测试，那么这一设计本身就会被认为是一个失败的作品。一个设计可以通过加强薄弱环节，然后再分析新设计这种方式进行修改。这个过程可以持续到设计者无法想象出任何会使结构体在预设用途下无法通过测试的情况时为止。当然，如果设计者在计算中犯了一个错误，或者忽视了一些出现故障的可能性，或者没有给计算机编入正确的问题，那么，这个假设在实际上本应该被否定的时候，却会被误以为已经得到了核实。我们从来无法绝对确信一个设计的无故障证明，因为我们无法确信我们毫无遗漏地问了关于它前景的所有问题。
1700548018
1700548019
所有工程学假设的基本特点是他们都被含蓄地不明确地声明，而如果被有目的地适当使用，一个设计结构是不会失败的。那么，所有的工程事故就都可以被看作是不成立的假设。因此，凯悦饭店行人高架路的事故证明了那些人行天桥在坍塌的时刻所能承载人数的假设是不成立的；塔科马窄桥证明了这一悬架跨度在早晨每小时42英里的侧风中能够承载来往车辆的假设是不成立的；提堂坝的事故证明了提堂坝能够拦截河水用以灌溉的假设是不成立的。另一方面，一个工程结构曾经的成功证明了对其功能的假设仅仅达到了历史上每天早上太阳的升起使我们对有一个可预见性的未来感到安心这一程度。布鲁克林大桥的结构稳固只能向我们证明这座桥已经存在100多年了；它明天仍然会存在只是一种可能，虽然可能性很高，但这并不是一件确定的事。
1700548020
1700548021
这样的认识以及那些有关疾病可能性的认识都不必令我们感到不安。的确，即使我们发现这么多年以来自己一直生活得很健康，但是在内心深处我们都知道这并不能保证明天我们就不会住院，甚至更糟。我们都见过家人或朋友突然得了癌症、腰椎病、心脏病或者被一种昆虫咬伤。我们也知道某个人在他的全盛时期被一辆车撞倒，或身陷一场飞机事故或者一宗罕见的意外，甚至成为一个结构坍塌的受害人。如果我们被这样的命运吓得不敢动了，也许我们应该被送入收容所，因为我们将不再能起到现在我们在这个世界上所起的作用。闪电会发出袭击——将来某时它可能会袭击我们。我们必须把它作为美好生活的代价来接受它，我们别无选择。我们每天甘愿面临着遥远而不可知的危险，为的就是生活中的乐趣。
1700548022
1700548023
最基础最常见的结构形式之一是被工程师称之为“梁”的东西。梁这一概念的本质是它能跨越某一空间，抵抗由施加在它纵向平面上的横切力引起的弯曲或偏转。一些常见的例子会使这个稍微有点抽象的定义变得具体。房子有地楞横梁，如果我们到一个未完工的地下室进行考察，我们就会看见它们通常从一道墙延伸到另一道墙，当墙与墙之间离得很远时，有时会用中柱把它们支撑起来。这些横梁要承载它们自己的重量以及上层地板的重量，除此之外还有地板上的家具和在地板上休息和移动的人的重量，这都容易引起横梁逐步向地面倾斜。一般的普通住房都有常用的面积，一个现代的房屋建筑师很少会考虑地楞横梁的尺寸和强度，因为他仅仅把每座新房子都建造得和他建过的所有以前取得成功的房子非常相近。
1700548024
1700548025
但是如果我们被困在一个荒芜的小岛上，身边只有造房子的木材，没有建筑师的计划和经验，这时我们要考虑些什么呢？首先，当我们四处搬动木材时，我们可能会注意到一个长的2×10的木料。
1700548026
1700548027
1700548028
1700548029
1700548030
很容易在一个方向发成弯曲，但在另一方向不会。这个现象在码尺身上表现得更为明显，因为它比那个木料小些，轻些，因此更容易被我们手上的动作所影响。如果我们用码尺做试验，我们会注意到当它被水平放置时，它轻易地就能被按下去，因此我们能很容易想象如果我们把手指放在1英寸和35英寸的刻度处托着这把尺子，那么它的中间的部分会出现非常轻微地下弯。一个工程师会说：“这个简单的横梁只是均一地负担了自身的重量。”我们不会用易弯的码尺建造我们房子，但是我们能够想象我们2×10的木料也会以相似的方式弯垂，特别是当不仅仅它们自己的重量作用在它们身上时，如果我们在横梁的纵向平面（指上页图中显示为阴影的那个面）上铺设地板，我们不仅要预想到显而易见的弯垂，还要考虑当我们在客厅四处走动时令人不安的弹性。另一方面，如果我们用直立的方式拿着码尺的两端，让木板像广告牌那样竖面，我们注意到没有很明显的下陷情况。一个工程师会说：“直立梁在这个方向上承担自己和其他重量的情况下对弯曲更具抵抗力”，我们总结了这一经验和实验后认为应该安装地楞横梁，以便它们用自己直立面而不是宽扁面来承担地板的重量。
1700548031
1700548032
一件重型家具或者人对地板的作用可以通过握住码尺的两端，用我们的膝盖对着中间部分顶上去这种方式进行检测。当我们用膝盖撞横面时，我们不仅会看到较大弧度的弯曲，还应该注意到如果我们没有注意把它拿平，而我们的膝盖又顶到比较锐窄的那一面时，码尺就很不容易扭曲变形。工程师把这种扭曲变形称为“不稳定性”或者“屈曲”，当我们增加膝盖的冲击力度时，我们能感知到这个现象会突然出现在码尺身上。为了确保我们房子的地楞横梁不会出现这样棘手的状况，我们可以沿着它们的跨距在一两个地方对它们进行加固，提高横梁的应力，应对可能会给它造成压力的各种冲击，是否能够在一个荒岛上第一次尝试建造房屋时预想到这些可能，可能取决于木料的弯垂是否引起了我们足够的重视，取决于当我们在思考摆在我们面前的建造任务时，我们是否碰巧在玩码尺，取决于我们是否设法在用一种不这么便捷的方法安放我们的地楞横梁。因为如果没有“星期五”星期五：《鲁宾逊漂流记》里的人物。——译者注，当我们在铺设地板时，把横梁平放一定比试图在头重脚轻的状态下立稳大批的横梁要容易。这需要一个用纸牌做房子的建造者拥有耐心和运气。
1700548033
1700548034
像安装地板这样普通的事可能因此被看作是一个假说，尽管这一假说可能是通过反复试验形成的也不很详尽。当我们以某种方式安装我们的横梁时，我们很含蓄地说它们会支撑地板并且不会引起过度的下陷，不会从受压的位置上咔嚓一声崩断，也不会折断。如果我们不重视横梁的放置是以宽扁梁或直立梁的形式之间的不同作用，如果当我们搬进一个大的扁平的卵石当咖啡桌时，我们没有想到一根横梁会从该位置上咔嚓一声崩断下来;当我们做早操跳上跳下时，我们没有想到这种压强也许会超过一个横梁的断裂极限点，那么我们将会在地下室呈漏洞型的碎石中发现我们的假设不成立。另一方面，如果我们的房子没倒，那并不一定意味我们已经通过运气或通过设计偶然找到了放置地楞横梁的最佳方式。我们可能以横梁宽扁面放在了一个相对较短的跨距上，或者我们走过房间时，没有做出任何我们注意到的会导致轻微下陷和回跳的不适宜或不可避免的行为。或者我们错过加固，因为我们讨厌巨大的咖啡桌。或者我们在室外做的运动，因此从未测试过地板的断裂极限。因此我们可能从未用一个极限测试检验过我们有关楼板结构的假设。
1700548035
1700548036
假如那时有另外一个人带着大批的木料因为船只遇难而来到我们岛上，我们很自然地会将房屋建造的经验与他分享。但是他的木料可能在长度上更长或者体积更为细小一些，而且他可能想要建造一个比我们的更大的房子。如果遇到任何结构损坏，我们可能会检测某些假设，发现它们不够好。然后我们会告诉新手哪些不要做。如果我们最初的房子仍然矗立着，我们的邻居可能就仅仅模仿我们的设计，把它按比例放大，并在规模更宏大的结构中使用更长的木板。如果那些木板并没有长太多或者牢固程度差很多，如果这位新居住者不像我们那样胖，并且不是那么倾向于用卵石而是用竹制的桌椅布置房间，那么他建造的房子就可能存活下来。但是如果有一天他决定要重新装修，他还要把一个卵石沙发丢在地板的中央，我们可能就证明了他的房子像岩石一样坚固的假设是不成立的。
1700548037
1700548038
现在除了地板坍塌外还有很多其他方式会毁掉一个房子，我们能够想象墙和屋顶都有它们自己的薄弱点。通过仿效成功的设计，这些大体上都能被避免，但对我们岛上的居住者而言，偏离一个精确的模仿是灾难性的。通过粗心、贪婪和出于好意的新假设，即用更少的木材更快地建造更大的房子，偏差的发生不可避免。但是对新方案过于自信的建造者，或没有充分稳固房子构架的建造者，在一场午夜的暴风雨后会发现他的房子被夷为平地。在一个恶劣的冬季，大雪能使房顶负荷过重，从而造成局部性的坍塌。1979年的冬天，在芝加哥附近，有相当多的雪堆积在仓房屋顶上，致使许多平安度过了很多正常冬天的仓房倒塌。
1700548039