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设计，人类的本性 所 有工程的成功，早至历史上的金字塔，远至未来一英里高的摩天大楼这一最大胆的构想，都可能被想象成是从一个无故障地完成某物体的愿望开始的，在这里“无故障”对于工程师来说不仅仅意味着屹立而没有倒下，还意味着要具备“结构稳固性”。不坚固的结构体——被快速的腐蚀吞噬的、在正常情况下因反复使用最终破损的、没有使用多少年就遭受疲劳断裂的——都会被非常肯定地认为是失败的作品，就好像他们已经在建设过程中坍塌了一样地肯定。无论一个工程师想象中的或者付诸在图纸上的设想多么有创造性、多么有吸引力，如果他忽视了任何一个可能导致结构体失败的因素，所有的一切都是徒劳。
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最早的工程结构也许是通过反复试验被设计而成的，有人认为人类正是使用这一方法建造了埃及金字塔。金字塔的建造过程耗费了数量惊人、体积巨大的石块以及大量的工人，尽管这一过程至今为止可能还未被世人确切地了解，但是我们不难想象为什么金字塔的形状会是这个样子。金字塔的形状是特别稳固的一种，设计师可能是受到一堆沙在沙漏底部呈现出的形状的启发。它是永恒的形状，与山脉类似，并且，当从远处眺望它时，它那坚如磐石的表面看上去就像是即使在最猛烈的沙暴中也能抵御被掀翻的命运一般。虽然金字塔不是正四面体，也不是柏拉图立体，但如果不是这神秘的外形，它也不会这么有吸引力。埃及金字塔的基底大约是正方形，它在方角层面中步步升高，根据一个四面体的需要，这是一种比在三角模型中组装近似方形巨石的更自然的方法。尽管拥有所有这些或多或少被迫使用的自然方法，但是怎样精确地堆叠巨石，如何精确金字塔侧面的斜度，却不是轻而易举地就能做出的重要决定。
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当沙子从拳头中流下来时，沙子可以呈现出一个自然的圆锥角，但是这个角度会随着沙子的种类和形成沙堆时的条件而改变。如果这些沙子落在一块本身就是更大一堆沙的沙漠中，那么这个额外的重量会引发小型的崩塌，就像当我们把海滩的沙堆得过高，沙会坍塌一样。最早的金字塔被认为是从古埃及平顶斜坡石室坟墓演变而来的，这是一种非常低矮，呈矩形的坟墓，由倾斜的砖墙包围着。大约公元前2700年，伊姆荷太普，历史上第一位留下姓名的建筑师，承担了为埃及古王朝时期第三王朝第二位法老左塞尔建造陵墓的任务，伊姆霍特普选择改造第一王朝的平顶斜坡石室坟墓。他首先用巨石覆盖了传统的平顶斜坡石室坟墓，然后在它的顶部叠放巨石，从而形成了现在的阶梯金字塔。法老左塞尔的金字塔是层层加高的，由于接下来的每一个进程都取得了成功，伊姆荷太普也从中获得了信心进而累加了越来越多的巨石。
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一旦伊姆荷太普成功地建造了阶梯金字塔，其他人就会带着不会失败的信心模仿它。但是，显然随后的设计者们没有满足于这种阶梯金字塔，他们在伊姆霍特普成功的基础上进行了改造，这种阶梯形的轮廓逐渐发展成为充满台阶的外形，显示出通常让人联想到埃及金字塔的熟悉的直边和平坦的表面。侧面比以前的金字塔更为陡峭的梅度姆金字塔的成功给后来的设计者们带来了一些更好的灵感。他们试图在达舒尔的金字塔中做一次挑战，他们将达舒尔金字塔每面的斜度设置为以前从未尝试过的54度。然而，在金字塔的建造过程中显然发生了一些事使建造者们改变了最初的计划，因为在大约建造了一半的时候，达舒尔金字塔不仅更换了所用石块的种类，而且也改变了它每面的坡度。坡度从54度降至43度——因此这个建筑有了一个贴切的名字——弯曲金字塔。有种理论认为弯曲金字塔的失策在于结构误差，这一误差是由于在建造之初采用了在那以前未曾尝试过的更为陡峭的角度，这一理论认为设计者最初的雄心壮志不得不被降低。被视做弯曲金字塔底座的大量残骸，增添了这个由于轻视断裂极限而使结构设计受阻的早期例子的可信度。随后的金字塔建造者把金字塔建得更高却不敢把它建造得更陡，他们看上去更满足于较为谦逊的成功。
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埃及金字塔的建造者并不是唯一遭遇结构限制、唯一渴望做一些以前从未做过的创新的人。中世纪的大教堂在结构上肯定比金字塔更为复杂，然而仍有相当多的证据说明大教堂像埃及“巨石”那样都是在实验，而后从失败中找到解决办法这一过程中演变发展的。甚至门外汉亨利·亚当斯在他关于法国大教堂的导游手册中，也不得不谈论一下12世纪末13世纪初在距巴黎周围40或50英里处建立教堂的设计师们是如何观察并被彼此的实验“几乎日复一日”地影响的。一个建筑师在结构和美学上的成功与失败对其他建筑师来说是挑战或者教训。
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1284年位于博韦市的大教堂发生了一次严重倒塌，这次事件被认为是哥特式建筑发展过程中的一个转折点。尽管细心的评论家在14世纪看到了结构创新和激情的复苏，但是从那以后，建筑师们普遍在结构探险上变得趋于保守。运用现代工程模型分析了哥特式教堂受力情况的罗伯特·马克，在帕尔马、马略卡岛大教堂的正殿上看到了在高度和长度上所取得的重大新成就，但是他也承认这些成就绝不像在博韦建筑的高潮时期取得的那些成就那么重要。
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一般认为金字塔和大教堂属于结构工程学的前理性阶段，因为此时，工程师明显更依赖于物理实验以及建筑中期的修改，而并非依赖于任何预先确定的，不容破坏的有关结构体终极版本的整套计划方案。大教堂的飞拱无疑是为防止中世纪砖石建筑中的不良断裂而增添改造所得。甚至明显作装饰用的尖顶的添加似乎也是为了满足功能上的需要——当宏伟的大教堂在一个中世纪城镇平地而起被暴露在所有低矮建筑物面前时，巨大的风力会作用在它身上，此时教堂的尖顶可以承担更多的力以防止更多的缝隙裂开。
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19世纪和20世纪的伟大建筑物是用钢铁和混凝土制造的桥梁和摩天大楼，它们拥有的细长比和结构上的大胆创新是石匠们不敢想象的。钢铁的韧性增添了结构体的拉伸程度，这使它得以从压缩力这种稳定力的支配中解放出来，几乎就像是摆脱了重力本身的牵引一样。但是直至今天，19世纪那些数不清的有关铁桥事故的记忆使现代工程师不再自负地认为他们能够多么迅速地建造出更长更高的建筑。的确，铁桥是伴随着铁路扩张而发展起来的，它身上的顽疾到今天也已经成为结构工程学历史上评论最多、记载最多的章节之一。
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之所以会出现这种情况，可能是因为桥梁与金字塔、大教堂这类纪念性建筑相比，具有不同的符号属性。建造后者是为了赞颂尘世和天国的统治者，而前者主要是功能结构体。当它们确实呈现出符号意义时，通常都是事后追加的——只有布鲁克林大桥在确切地成为连接纽约东河两岸的政治纽带之后，才取得了其在艺术和文学上的地位。总之，现代桥梁体现了人类的技术成就，没有任何建筑可以像桥梁这样炫耀自己的结构骨质，显示自己的结构力量。
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19世纪铁路的扩张给建筑师们带来了新的挑战。金字塔总体来说是成堆的巨石，唯一需要巨石横跨的空间是通向墓室的又长又窄且错综复杂的通道，墓室的规模与今天普通人的卧室大小差不多。另一方面，除了在罗马有穹顶的前身以外，大教堂并不力求在面积和体积上登峰造极，而是追求精美和开放性。经济因素和大规模生产都不是纪念性建筑建筑师的首要关切之事，但是愚蠢而无同情心的现实却是桥梁发展过程中的重要组成部分。这不并是说与一座哥特式教堂相比，人们不太关注一座铁桥所取得成就。的确，受经济因素的驱动，与动机在物质利益和损失之外的教堂赞助人相比，铁路公司可能不太倾向于承担结构损坏的风险。然而，铁路公司仍然是比较大胆的，因为仅仅模仿那些经受住时间考验的桥梁不是一个长久的选择，他们不得不在全新的条件下建造它们。
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铁路事业的发展给工程结构带来了新的要求。铁路桥梁不仅要承担重载牵引车和其他全部车辆的纯粹重量，还要承担引擎往复的动态酌域以及火车在桥上的持续位移。铁路结合了机械工程师的机械装置和土木工程师的固定式结构，对任何一方的要求都为另一方的发展提供了促进因素——但并非相安无事。为了提供便捷的服务，铁路的触角向外延伸得越来越长，这就激励了人们让更重的火车以更快的速度穿越更崎岖的地带。任何不是非得爬的山、任何不是必须得进入的谷都是可以节省的时间和能量，节省就意味着金钱。但是不久，现存的铁路桥梁所拥有的足以承担上一代火车重量的强度已经无法应付后来越来越重的火车，因此坍塌发生了。每座有瑕疵的桥梁都会导致对下一座类似桥梁额外强度的需求，因此铁路桥梁是在反复试验的补偿过程中演变发展的。正如拉尔夫· 沃尔多·爱默生在他同时期关于补偿的文章中评论的那样：“每一次超越都会导致一个缺陷，每一个缺陷也都会导致一次超越。”
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在19世纪出现了一次技术认知，即把铁路火车和它们的基础设施看成是改变环境的一个因素。威廉·华兹华斯，这位自然的崇拜者，一直在努力解决一种新文化侵入古老的、田园式文化所产生的问题。工业文明正在改变着英国乡村的生活面貌，在《肯道尔与温德密尔铁道计划十四行诗》这首诗中，他极力劝说读者与他一同分享他对自己眼中湖区丑陋面貌的蔑视。
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你听到那汽笛声了吗？当火车那长长的身躯
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横扫向前时，这一景象掠过你的视线了吗？
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是的，你震惊了——在精准的天平中，
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用许诺的利润称量一下造成的损害，
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山、谷、河，我恳求你，
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来分享一个公正蔑视的愤怒。
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但是这一蔑视在另一首题为《汽船、引水桥与铁路》的诗中有所缓和，在这首诗中，华兹华斯除了又一次表达了自然的伟大之处外，也承认了技术的作用：
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尽管美丽可能被否认，与
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你丑陋的容貌有一些 关系，但是自然拥抱
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她在人类艺术中的合法后代；时间，