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设计，人类的本性
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设计，人类的本性 英 国第一本有关谜语的书出现在1511年，其中有一个谜语是这样说的：“什么东西越简单越让人害怕？”答案是：桥。出于美学和经济的原因，现在的桥梁建造者仍然还在寻找能使他们的结构体变得更轻巧的方法，尽管他们正在使桥的跨度越来越长。由于在更少与更多之间存在心理和结构设计上的斗争，所以桥梁的建筑史也是在巨大的失败和引人注目的成功中交叉发展的，带给人们许多技术上的谜题、教训和惊喜。
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100多年来，拥有3个铬钢桥拱的艾德桥（Eads Bridge）横跨在圣路易斯的密西西比河上，与此同时布鲁克林大桥也由4条钢索悬挂于纽约的东河之上。这两座大桥代表了一些最早大胆使用气压沉箱法和钢铁的结构设计，代表了那个时代取得的辉煌成就。这两座桥都包含了工程学上的一些飞越，但在建造过程中也都有误入歧途的时候。然而就像水晶宫、艾菲尔铁塔和19世纪其他举世无双的建筑一样，这两座大桥是大胆创新的工程项目战胜所有问题、成功挑战墨菲定律的经典例子。
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这两个建筑工程在兴建过程中遇到了一些同样的阻碍，最大的阻碍就是关键的结构部件所使用的新材料。詹姆士·艾德在无法为桥梁找到令人满意的碳钢之后，采用了铬钢，当时许多的冶金学家都表示过怀疑。约翰·罗布林的儿子华盛顿在父亲去世后，负责监管布鲁克林大桥的建设。在一定数量的钢丝已经被织进钢索之后，华盛顿才发现供应商提供的是劣质材料。但罗布林并没有拆除已经做好的钢索，而是增加了钢索中钢丝的数量来弥补未达标准的钢丝所带来的不足。这种劣质钢丝至今仍然存在于铁索之中，用真实经历证明了安全系数的理念，证明了在设计和建造中采取正确措施的重要性，也证明了瑕疵本身并不一定会导致结构失败这一事实。
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这两座大桥的建成回应了那些曾经怀疑艾德和罗布林设计的结构能否成功的人们。艾德大桥在1874年5月竣工，逐渐加重的火车来来回回穿过大桥直到6月中旬。当一头大象毫不犹豫地穿过大桥时，测试似乎接近了尾声，因为人们普遍认为大象拥有使自己远离不坚固桥梁的本能。1874年7月4日，在为庆祝南伊利诺伊和圣路易斯之间的艾德桥正式投入使用而举办的游行集会上，艾德在他的演讲中感谢并驳斥了人们对大桥安全的质疑，“昨天我的朋友对我说，一想到桥梁测试结束后我就可以松口气了，他们感到很高兴，”他说道，“然而我并不觉得放松，因为我从未担心过这个问题。”如果艾德自信他的石块和钢铁结构能够像金字塔那样存在很久，那么大桥所取得的经济成就就像在大桥开通当晚庆祝活动的游行人员未能用烟火组成预先设计好的通过大桥的“仿真火车”一样要令艾德失望了。艾德大桥并未赚到计划中的通行费，也没有从芝加哥手中重新获得曾经经过圣路易斯的商贸路线，使圣路易斯成为通向西方的门径。
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伴着游行和烟火，作为世界第八大奇迹的布鲁克林大桥在1883年5月举行了隆重的开通仪式。烟火表演取得了圣路易斯前所未有的成功，而且在经济上布鲁克林大桥也如它的赞助者所希望的那样获得了成功。不幸的是，布鲁克林大桥的安全性并未用通过大桥的大象来加以证明，在盛大开幕一周后，当桥体马上要发生坍塌的谣言散布到桥上时，桥上的2万人被吓得惊慌失措，慌乱中12人被踩死。报纸因为引发公众对布鲁克林大桥安全性的质疑而受到指责。今天，在这个不安定的世界中，布鲁克林大桥已经成为稳定性的象征［尽管在1981年，一条钢索发生折断并勒伤（死）一位行人，这位行人当时正在欣赏从结构上而言没有必要，但是从游客的角度上却是景色优美的、位于大桥和内河运输之上的人行道］。
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索拉桥的建筑历史很好地说明了存在于工程成功和失败之间的微妙平衡，与其他结构相比，它的历史充满了教训，因此也更不容易被人们所遗忘。1850年，早期横跨法国昂热曼恩河的悬索桥在500名士兵齐步前进的步伐中坍塌了，几乎一半的士兵因此丧生。据说过桥时士兵改成便步走的习惯就是起源于这起事故。水晶宫用成群而行的工人来检测走廊的方法在某种程度上来源于19世纪悬索桥经常出现事故的原因是士兵、观看划船比赛的人群，或者牲畜的集中移动这一现象。此类事件可能早已被提出下面这个理论的人铭记于心，这个理论是：人们在凯悦酒店人行天桥上有节奏地蹦跳使得天桥在逐渐增加的负载中振动起伏，最终坍塌。尽管酒店的人行天桥比一座长的悬索桥或者简易通道坚固得多，但是引起桥体谐振直至最终损坏是同样可能的。然而酒店的工作人员和顾客都发现，在人行道上跑跳和在其他现代酒店以及大型购物中心中单薄的、有弹性的混凝土走廊和露台上跑跳都不会再让人感到不安了。
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华盛顿·罗布林知道人行通道谐振的危险性，所以在修建布鲁克林大桥时，他在通向布鲁克林大桥桥塔的简易通道（catwalk,是铺设于建筑工地钢结构之间，便于工人行走的简易通道）入口处的显著位置上竖起了一块警告牌。牌上明确地对结构共振这一现象的危险性发出了警告，有节奏的脚步会使简易通道如同操场上的秋千一样在每次时机正好的推力下，荡出越来越大的弧度：
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安全起见，一次只能通过25个人。不要聚在一起走，不要跑、跳或疾走。不要以一致的步伐走。
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W. A罗布林 总工程师
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这些都是结构设计者针对所掌握的会引发事故的状况提出的明确警告。像在许多建筑工地一样，警告牌的作用很有限，并没有使这个临时搭建物的安全性有多大的提高。但简易通道上并未发生不幸的事件，布鲁克林大桥的完工，开创了悬索桥的新纪元。它的车道十分坚固，不仅可以抵抗后来发生在塔科马海峡悬索桥身上的扭转作用，而且可以承受士兵齐步走。
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约翰·罗布林生活在悬索桥事故频发的年代，他的著名成功之作包括双层的尼亚加拉大桥、俄亥俄河上的辛辛那提大桥和布鲁克林大桥。应该将交通负载和风荷载作用下长跨距大桥的稳定性归功于他认识到许多他那个时代的悬索桥之所以会坍塌是因为它们的桥面不足以承受这些荷载。罗布林设计的成功给后来的桥梁工程师上了生动的一课，不仅如此，他更是成为了一种象征，鼓励后人设计出能够跨越更宽阔的河流和海湾、更具经济效益的桥梁。
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罗布林决定用一个对他所在的时代而言是比较激进的设计来挑战性地建造一座横跨尼亚加拉河峡谷的大桥，即使他同时代的一些人认为这是不可能完成的任务。罗伯特·斯蒂芬森——英国伟大的工程师，认为悬索桥无法支撑铁路火车，所以他选择使用大型矩形钢管建造了火车可以穿行其中的布列坦尼亚桥。罗伯特·斯蒂芬森就罗布林关于用悬索桥支撑横穿尼亚加拉河火车的提议给罗布林写了一封信：“如果你的大桥成功了，那我的就是一个极大的错误。” 尼亚加拉河大桥成功了，但是斯蒂芬森的“错误”也成功了。斯蒂芬森在麦奈海峡上建筑的铁路桥使用了100多年，直到1970年毁于一场大火后被一座拱形桥代替。
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罗伯特·斯蒂芬森之所以把他的钢管桁架桥看作是失败的设计（尽管它在结构上是成功的）是因为他在设计这座大桥时的主张是：在结构上人们无法建造出比钢管桁架桥更有效的桥体，使其能够承受火车所带来的重活动荷载。实际上他的同代人威廉·费尔贝恩将1850年以后建造的一些“危桥”归咎于斯蒂芬森成功建造钢管桁架桥的身上，斯蒂芬森建造的钢管桁架桥不需要来自桥塔钢索的支撑，使得一些后来的设计者盲目地跟风。罗布林的尼亚加拉大桥所取得成就给史蒂芬森关于索拉桥的主张提供了一个反例，也给未来的桥梁设计师提供了一个尝试超越的典范。罗布林将许多他用在尼亚加拉河大桥身上的创新手法——比如很厚的加劲路基和可以抵抗风力的斜拉索——也使用在了他设计的辛辛那提大桥和布鲁克林大桥身上，但是后来索拉桥的设计者们使路基渐渐变长、变薄，这使得它们在承受交通荷载和抵御强风时变得更有弹性，同时也不再使用几乎成为罗布林标志的斜拉索。在20世纪前1/3的时间内，索拉桥的桥体变得越来越长，线条也越来越流畅，乔治华盛顿大桥、布朗克斯白石大桥和塔科马海峡索拉桥的设计就属此类。当然，塔科马海峡索拉桥的细长度超过了前人经验中的合理界限。
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工程设计的悖论是成功的设计方案转化成了事故，而巨大的事故有助于有改革精神的和鼓舞人心的结构体的发展。然而，当我们明白设计过程的主要目标是消除事故时，这一悖论也就解决了。一个失败的结构给某一假设提供了反例，毫无疑问它也告诉了我们什么不能做，而一个没有出现过问题的结构体通常是把应该留给下一代工程师的教训和警告隐藏了起来。成功与失败之间不间断的、反复的相互作用在悬索桥的历史上最具戏剧性，尽管一些其屋顶的工作原理与桥梁类似的大胆的新建筑也带给了后人一些重要的经验教训。设计了乔治华盛顿大桥和其他纪念性桥梁的奥特马尔·曼写道：
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……塔科马海峡索拉桥的失败给我们提供了非常宝贵的信息……它告诉我们每一个触及到新的重要领域的新结构体都一定会遇到前人的理论和经验无法解决的问题。这时，我们在很大程度上只能依靠自己的判断，如果这导致了错误或事故的出现，我们应该把这当作是人类进步的代价而接受它们。
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塔科马海峡索拉桥是工程史上一次最为严重的失败。这座连接奥林匹克半岛和华盛顿州内陆的索拉桥拥有一个狭窄的双车道，中央跨距大约为半英里。这是一个非传统设计，它没有采用当时惯用的，也是必要的更深层次的开放，而是使用了加固桁梁的设计，减小了路基的厚度。这一创新使得桥的轮廓纤细，外形优美，但是大桥窄且浅的路基也使得它在风中很易弯曲。
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塔科马海峡索拉桥在建筑过程中就起伏波动得厉害，这种不正常的现象在1940年投入使用后的几个月中也一直持续着，因此这座桥又被叫做“舞动的格蒂”，并且吸引了一些想体验汽车版云霄飞车的人来此寻求刺激。在它倒塌的那天，大桥发出了它要最后放纵一下的警告，因此在情况进一步恶化之前，人们封闭了大桥。路基扭曲直至坍塌前的壮观场面甚至被制成了新闻记录影片，工程师一直努力在成比例缩小的模型身上获悉空气动力不稳定性的现象。录制塔科马海峡索拉桥最后几分钟的影片已经成为了经典。
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随后对塔科马海峡索拉桥坍塌事故的分析证实当时桥跨的行为就像遇到激流的机翼。至此，桥梁在空气动力方面的设计不再受到忽视，人们迅速地用钢铁加固了与塔科马海峡索拉桥同时期的易受影响的桥梁来抵御侧风，虽然这会破坏桥梁的美观，但却可以保证它们的结构安全。随后的设计都必须接受与飞机设计一样的风洞测验。
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设计师完全没有想过塔科马海峡索拉桥会在每小时40英里的侧风中坍塌，因此也并未对这种情况加以分析。理论上塔科马海峡索拉桥完全能够承受它自身的静负荷和来往车辆的自重。由于它的使用率比具有类似设计的布朗克斯白石大桥要少得多，因此与这座纽约6条车道宽的姐妹桥相比，塔科马海峡索拉桥只有2条车道宽。布朗克斯白石大桥比塔科马海峡索拉桥早投入使用一年，而且已经安装了额外的索拉和加固装置来减少风力造成的惊人的大幅度晃动。这些正确的措施将路基的上下起伏控制在几英寸左右，但是在交通高峰期，车里的人们在过桥时仍然能够明显地感觉到桥的波动。很多个下午，当我从布朗克斯乘车回长岛，因为交通堵塞被困在桥塔和那些在塔科马海峡索拉桥坍塌后为了加固大桥而增加的钢制开放围墙（open walls of steel）的中央时，我能看见并感觉到桥梁那令人不安的大幅度晃动。直到20世纪80年代，另外一些矫正措施才被用以进一步减少桥在风力下的晃动。
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然而塔科马海峡索拉桥的晃动是用英尺而不是英寸来计算的，在投入使用后，塔科马海峡索拉桥还没等到对它采用矫正措施就坍塌了。当大桥正在被风力撕扯时，华盛顿大学正在对一个按比例缩小的模型进行测试以便能够理解塔科马海峡索拉桥现象并找出补救的方法。一个类似的布朗克斯白石大桥模型出现在普林斯顿大学，虽然这两所大学都能够重现这两座大桥的波动，但是他们却不能对其给予确切的解释。报道“舞动的格蒂”（塔科马海峡悬索桥的外号）坍塌的头条新闻认为是索拉桥中存在的空气动力不稳定现象导致了纤细的桥面板在风中动若机翼。
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加利福尼亚理工学院古根海姆航空实验室主任西奥多·冯·卡门写给《工程新闻记录》杂志的一封信是最早对寻找大桥坍塌真正原因有帮助的建议之一。在信中，他对一个像机翼般扭转的理想桥面采用了一个微分方程式，因为风的升力折曲桥面的方式与折曲桥上钢铁的方式不同，他的这封信写得十分简洁，被称为封底计算。他指出，在主要由悬索来抵抗扭曲的案例中，通过预测会使又窄又浅的桥面遭遇危险扭曲的临界风速，人们可以获得方程式之解。冯·卡门的分析能够阐述这样一个事实，即塔科马海峡索拉桥比布朗克斯白石大桥窄3倍，与它自身的跨度（当时是世界第三长）相比浅了2倍。因此冯·卡门证明了塔科马海峡索拉桥显示出的空气动力学不稳定性比其他任何现存的桥梁都更为明显。实际上，大桥在比信中计算得出的风速还少10英里的情况下就坍塌了，这封信写于事故发生后的两周内。
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然而不用通过计算，单是100多年的经验就本应该使塔科马海峡索拉桥的设计者注意到冯·卡门通过微分方程式计算预测出的坍塌原因，那些被记入历史的灾难性事故强烈地表明设计师应该熟悉技术史。如果塔科马海峡悬索桥的设计者知道惠灵索拉大桥（wheeling suspension bridge，它在1849年完工，是当时世界上跨度最长的桥）的故事，他们在设计过程中就没有理由忽略风力可能会导致坍塌这一点，而不是在一个桥梁建成后再处理问题。在存在了5年之后，惠灵索拉大桥在一场暴风雪中坍塌了。技术资料并没有对此进行详细叙述，因此使得同时代和后来的设计师——包括塔科马海峡索拉桥的设计师——未能从这次灾难中吸取教训，但是一位当地记者在1854年5月17日惠灵（美国城市）的《情报员》（Intelligencer）中报道了大桥坍塌时的情况：