我要做什麼樣的土木人(3/4)

虞兆中

二、土木工程的科學面與技術面
第二次世界大戰後，「科學」這名詞大為流行。似乎非「科學」不足以顯示學問之所在。於是於原有的自然科學之外，有應用方面的工程科學、農業科學等，較新的領域的地球科學、環境科學、材料科學等，範圍擴大後的社會科學、行為科學等，更新的發展的技術科學、軟科學、科科學等。錢學森曾將所有的科學分為自然科學、社會科學、數學科學、系統科學、思維科學、人體科學、軍事科學、行為科學、文藝理論等九門類，而各門類又有從學理到應用的基礎科學、技術科
學、工程科學等三層次。他是作了系統的歸納份額，幾乎含蓋了人類的一切活動， 無處不是科學，遍地都是科學。

果真是風水輪流轉， 近二十年來「技術」、「工程」二名詞又重現光芒，又出頭了。傳統的工程技術、農業技術等再被強調，固然理所當然，開拓不久的醫學工程、生物技術、遺傳工程，進而有細胞工程、基因工程等頗多成就，已至可以改變細胞的遺傳性、複製生物、創造新品種，成為令人側目的嶄新領域。另有以創造為研發對象的所謂創造工程和創造技法：前者重在研究創造發明的規律與方法，後者主要在研討已有的創造途徑與技法，以提昇人們的創造素質，開發創造能力。更為將「工程」的意義擴張，指向大規模計劃的實施，包括政治的、經濟的、社會的諸方面。可列為泛領域。如中國大陸正在進行的高教改造工程，定名為「211工程」，所訂計劃目標是在21世紀內將使100所高校達成國際先進的水準。

科學與技術確有差異。要言之，科學重在知的探索，人們的嚮往出於興趣和好奇心，研究方向在對現象的解釋有所發現，望能提供可能性的答案；而技術重在做的實踐，人們的嚮往出於需要和創造慾，研究方向在對問題的解決有所發明，望能提供可行性的答案。兩者是相互刺激，相互助長，相輔相成的。技街的研究離不開科學理論的依據，自不容說。科學的研究則端賴儀器的設計、製造和使用。所以科學家往往兼為技術家。對力學有重大貢獻的伽利略發明了液體比重計、天文鐘和望遠鏡，便是顯著的例子。我國近代揚名國際的吳健雄、李遠哲、丁肇中都不失為技術高手的科學家。根據相對論，光是能也具有質量，因此當光通過巨大的重力場時該呈彎曲現象。這一現象於1919年5月29日日蝕時，經英國皇家學會遺派報測隊到西非幾內亞測量來作考驗，果然與計算結果相符。愛因斯坦的理論，經由這技術性的驗證，才獲肯定。

第二次世界大戰後，電腦、核能、通訊、石化等發展驚人。其中有學理的鑽研，有技衛的開發，兩者互捕的功效可說發揮得淋漓盡致，美不勝收。這也顯示兩者密切結合以謀開拓新境界的必然趨勢。於是在我國文字中看「科技」這個名詞，現在已廣被使用。這名詞用字精簡而意義明確，實在非常恰當，真是好得很。

土木工程因與人類生存生活息息相關，這方面的作為，往往不能等待科學的成熟來配合。它的技術要求往往須走在科學的前方。有關的科學知識往往在經驗的失誤中啟發滋生而付出重大的代價。即使在分析方法和計算工具的運用上亦往往不
得不因陋就簡，勉強從事。否則，便不切實際，難以開步了。下面是幾樁有關土木工程實際與理論，值得回顧的故事。

(1) 中性軸的位置何在？
在彎矩的作用下，梁內部分受拉，部分受壓，交接處為中性面，在橫截面上則是中性軸。在十七世紀伽利略曾就臂梁探討這個問題，他卻認為臂梁受力後內部整體產生拉應力，破壞時橫截面上的拉應力是均勻分布的。直到十九世紀法國工程師Claude Louis-Marie-Henri Navier 才確定梁內拉壓應力並存的結論，並證明如材料受力後的變形符合虎克定律，即兩者成正比的關係，亦即在材料的彈性範圍之內，則梁內橫截面的中性軸通過該截面的心點。這今日被視為材料力學上淺顯的常識，得來竟跨越三個世紀。

(2) 屈折(Buckling) 現象的折騰
鋼鐵用於製造結構的受壓構件往往在不堪受壓之前便生所謂屈折的現象而導致破壞。由於是鋼鐵的耐壓強度較高，所以構件不需較大的斷面，整個構件亦就較為織細而易於當縱向受壓時發生橫向的彎曲，亦就是屈折。這是超越材料強度以外的問題，難以預測防範。對於這個問題的處理，可說是在跌跌撞撞的摸索。直到二十世紀初期，經加拿大魁北克橋的慘痛教訓後，才作認真的探討而獲得具體的設計之道﹒這座魁北克鐵路僑梁取用懸臂式結構，主跨長1800呎是1904年興建時此型橋梁的世界紀錄，並被當時鼎鼎大名的工程師Theodore Cooper 譽為最廉宜最美好的傑作。卻不料於1907年8月29日因一處鋼材的屈折而使一端懸臂塌毀，招致8 2 人死亡的大慘局。所以工程建設，不論無意或疏忽，如考慮欠周，常常因此發生重大事故，權威人士的保證是不足信賴的。

(3) 風作用於結構的認識
設計結構物，風力是不容忽視的。在我求學的時代，所有的結構學教科書上都列有一些有關風力的所謂經驗公式以供參考利用。可是不久發覺用這些公式所得的風力與實測的情況很有出入。經美國土木工程學會自1930年至1940年十年的研討， 才有現在建築規範內風力方面的面貌。原來當初認為風力作用於結構，宛如結備承受氣流的噴射，後來卻發覺應該是結構置身於氣流之中，以致忽略了結構物的背面、側面、甚至迎風的頂面(如傾斜度較小)所受負壓力。那些只估計迎風面壓力，曾被奉為圭臬的，大批紅紅綠綠的經驗公式竟全部是不正確的。

關於風與結構的另一值得回憶的故事是Tocoma Narrows Bridge 的風難。該橋位於美國西雅圖近郊，是跨長2800呎的懸索吊橋，居當時世界長跨橋的第三位。該橋於1940年7月1日落成啟用，不料於四個月後的同年11月7日上午10 時至11時之間，被每小時四十哩風速的風吹毀。於是此後結構物，尤其是長橋和高樓，在設計的過程中也隨飛機進了風洞。

(4) 結構分析的簡化
結構學教科書上常將結構分為靜定與靜不定二類。所謂靜定結構係指可僅用力系的平衡條件予以分析的結構。出此範圍的所謂靜不定結構還需要變形條件的配合才能處理。靜不定結構的分析雖然遠較複雜，在學理上仍不難得解。其中根值於結構物以最小能量來承受外力作用的理念所導得的「最小功法」最為精微。可是此法動輒需大量的積分、大量的微分、大量的解聯立方程式，以致最不切實際，被譏為最大功法。自鋼料和鋼筋混凝土廣泛的用為建材後，結構之為高度的靜不定成了常態。但所有根據理論導得的方法因未知數過多都欠缺實用價值。於是不得不用簡化的方法來解決問題。簡化方法對準確度不容苛求，其中以結構經簡化後得初步的解，然後再用多次調整的程序加以修改來求得結果。這樣處理不失為言之成理，且能得合理的解，該算是便於實用的良法了。

自電腦廣被用於結構設計後，分析結構的方法已大為改觀。上述觀念所誘發的諸法都屬所謂「力法」系統。而另有以變形為直接求解對象的所謂「位法」。後者且以體系單純，已居於結構分析的主流地位。原因是體系單純的方法，過程明確，適合於電腦的運作。由於電腦的威力強，結構分析仰賴簡化的程度是大幅滑落了。

(5) 計算工具的限制
工程設計總是離不開計算。在使用電腦之前，手動或電動的計算機是高級工具，但應用遠不及計算尺方便。自1859年經多次改進的計算尺問世後，直到二十世紀的60年代初期，全球的工程師可說人人一把這輕巧的利器。而且尺不離手，拿它來解決一切計算的問題。可是計算尺僅有三位數的準確度。更早以前，就只能用算盤之類的工具或逕用筆算了，現代的工程師對這些情況諒有難以想像之惑。

電腦的超強計算能力，它不怕繁，又快又準，容量又大的能耐，給工程師們在計算需求上空前的解放。大大的提昇了他們運算的精度和速度。可是新的困境還是不能避免，電腦雖然能量龐大，但並非沒有限制。大型結構分析的直接處理往往超越機器的容量。工程師還得運用智慧，思想辦法來克服這種另一層次的難題。《請接頁4》

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