結構工程師該如何利用計算機

　　結構工程師該如何利用計算機

摘要：計算機的濫用日益威脅着公眾的安全，有意改變這種現狀的人只是極少數，有能力改變這種現狀的人也只是極少數. 在工程界不少人迷信：計算機是知識的源泉，計算機是解決工程問題的源泉，計算機具有令人信賴的“智慧”。這些迷信都大大背離了事實，不可以簡單地信賴計算機。有些人自稱是結構工程師，但他們把計算機作為知識、經驗、思維的替代品，而把自己對結構工程的無知隱藏在計算機的黑匣子裏。有責任感的工程師必須保護公眾免受這些人濫用計算機所帶來後果的影響。他們必須認真地想一想，有沒有什麼辦法，使人們免受這些迷信的影響。

　　關鍵詞：結構計算 設計軟件 設計製圖

計算機是知識、經驗和思維的替代品。縱觀當今世界，這種非常令人不安的觀點正在結構工程師中逐漸蔓延。人們似乎越來越願意相信計算機使他們能對工程作出正確的判斷，而根本不去想一想，如果沒有計算機同樣的工作需要哪些必要的知識和經驗。按百分比計迅速增加的工程師相信，解決工程問題的專業知識就是怎樣使用計算機以及計算機本身的專業知識。在結構工程界，把使用計算機的能力當成能勝任工作的證明，作為一種觀點正在象傳染病一樣到處蔓延。大量的結構工程師確實相信，他們僅僅簡單地依靠計算機就可以“解決”工程問題了，而沒有認識到高質量的工程只能是淵博的工程理論知識，大量的經驗，以及艱辛的腦力勞動相結合的產物。

問題是過分強調自動化技術是以削弱實際知識為代價的，過分強調也演變成了不學習實際知識的藉口。從教育和實踐兩方面來看，如此過分強調計算機帶給朝氣蓬勃的年輕工程師們一個錯誤的信息，工程學習和工程實踐就是輕鬆地使用菜單和用計算機生成五顏六色的圖畫。

在工程設計環境中利用信息自動化技術有很嚴重的負面影響，信息自動化技術象毒 品一樣能輕易地誘使大腦相信其虛幻的安全性，知識性和能力。在這些自動化技術實現其真正的價值以前，設計工程師必須不依賴計算機，而用學識和經驗去解決工程問題。非常不幸，我們變得如此依賴於計算機，以至於正在迅速喪失不依賴計算機進行計算工作的技能。

與那些只有依賴計算機才能“解決”工程問題的人討論問題時，一個稱職的結構工程師什麼樣的痛苦和挫折沒有經歷過？這些人（不要把他們跟真正的工程師混為一談）已不再有能力，或者從來沒學過，不依賴計算機解決工程問題。從根上他們不懂得，計算機不可能記錄有關模型、分析和設計的一些技巧。可以這樣認為，除了具有快捷的.計算速度以外，計算機程序只是一些離散的知識。這些人沒有認識到，知識已經遠遠超過了有限的計算機指令所能編程的界限。真正的工程知識是經驗，直覺，靈感，領悟力，創造力，想象力和“認知”的巨大綜合體，它超越了任何計算機程序和程序員對結構工程的“理解”。恰恰相反，這些人認定世界是一個巨大的有限元模型，而計算機能夠並且也應該自動地建立模型，進行分析，完成設計，打印出最終結果。“工程師”能做的，僅僅是區分規格和需求，給顧客開發票，牟取利潤，並且迅速找到新項目。

今後，只有越來越少的工程師能獨立地（即不依賴計算機）找出結構工程問題的正確解答，這種對計算機的依賴性將會帶來巨大的麻煩。隨着對計算機的依賴程度的不斷上升，誰來解決工程問題？是那些沒有或只有很少的結構工程知識和實踐經驗的程序員，或是有其他專業學位而不是結構工程學位的程序員來做？計算機現在不是，也永遠不會是解決工程問題的源泉。只有合格的工程師才能正確地解決工程問題。如果結構工程師們繼續製造這樣的氛圍，在結構工程實踐中，首先靠計算機，而不是靠有學識、有創新和有豐富經驗的結構工程師本身，就能夠解決大部分結構工程問題，那他們就是自欺欺人，也欺騙了他們的服務對象。

在今天的現實生活中，結構工程師發現了一種既非常有效又方便的方式去為顧客服務，它不需要花費大量的時間和金錢去學習或理解結構工程模型，分析和設計的細節。這種“方式”就是計算機。工程師們現在的行為方式符合宇宙的自然規律，即用最低的能量消耗前進。現在，越來越多的結構工程師對自動化技術的響應就是讓計算機工作，同時讓自己不再去操心細節了。

現代工程具有複雜的理論細節，依靠計算機的工程不能，根本不能，讓人們學習有意義的經驗。現代計算機的運算範圍和速度，太容易使工程設計變得毫無生氣。試問，有誰能抵抗激動和解脱的感覺--不用太多的艱辛就能求解成千上萬個方程？又有誰能抵抗誘惑--讓自動化技術來“解決”工程問題？真正的結構工程師，不用計算機就能工作的真正的結構工程師就有這樣的抵抗力。這些真正的工程師看到了實質，計算機是一種很不完善的工具，它只能處理大量信息。以光速執行的指令大多是沒有經驗的程序員編制的，它們的可靠性值得懷疑。在計算中，對於受動力載荷的作用的曲殼結構發生非彈性變形時，不正確的結果一樣可以在屏幕顯示，它們的等應力圖看上去也是如此這般地賞心悦目。這樣下去，只要手上有計算機軟件的使用説明，就可以用計算機得到結果了。或者更方便，只需在圖形用户界面上選擇合適的菜單，就得到結果了。事實上，如果“靠相互交談來探討怎樣分析樑和柱，靠雙手找出閉合解”會更有利。

也許有人推測，以上論調只能證明本文作者從根本上是反計算機的，或是他沒有認識到現代信息技術美好的未來，或是他對那些在神奇的創意中利用這種技術的專家不屑一顧。然而，並不僅僅是這樣。即使認識到計算機的潛力，工程師也對危險熟視無睹。結構工程是對安全性吹毛求疵的職業。在世界各地，結構的特性是由結構工程設計的質量決定的。由於在實踐中採用了計算機，越來越多的結構工程師正在製造以幻想為基礎的信仰系統，正在發展難以置信的危險期望。隨着這一趨勢的延續，工程失效的威脅也會按指數形式增長。

一個簡單的例子就是世界各地越來越多的工程公司都期盼CAE/CAD軟件能將結構工程設計程序完全自動化。現在，越來越多的結構工程師希望在解決問題時他們只需區分類型和條件，讓CAE/CAD程序自動生成必要的數學模型，完成複雜而重複的分析和設計過程。最後，由製圖工具完成生產圖和施工圖。在這種環境中，結構工程師唯一的責任就是明確所要解決的問題，然後評價最後的設計“結果”。這種設計方式註定是災難性的。數不清的軟件開發商為滿足市場的需求，不斷開發和推銷註明有各種用途的軟件。於是，不那麼稱職的工程師就相信了廣告，即使用這種軟件只要投入很少的人力就能進行工程設計。

軟件開發商經常被要求改進結構分析和設計軟件，以使用户在不詳細瞭解技術細節的情況下就能夠使用軟件。例如，這些用户要求開發商創造出不用閲讀使用手冊的環境。因為高質量的結構工程軟件的用户參考手冊包括軟件的技術細節，限制範圍，以及計算所依據的理論和假設，結構工程師們不願意使用這樣的高質量軟件。現實是，結構工程師們不希望瞭解細節。他們所希望又願意購買的是窗口界面，這種界面能讓他們處理信息見得到，然後把結果以彩色圖表形式展示。最好還有動畫功能，還可以用漂亮的圖表打印數值結果。而對於是否能可靠地檢測重特徵值；或在用反映譜進行分析時是否用了足夠的模態；或非線性索單元的理論是否正確；或分析結果對網格的形狀和單元的選擇是否敏感；或部分固定端剛度是否確切等等方面，如今使用計算機的工程師表示，他們幾乎不考慮這些細節問題。

不少人認為他們沒有時間，或沒人付給他們費用去關心細節。越來越多的結構工程師都持這樣的看法。但是，他們確實相信，依靠計算機他們的設計能夠達到顧客要求。為什麼不能如此簡單地相信???/!!!輸入數據，然後擊鍵，就有了結果。而且，這種方式幾乎沒有人力消耗。

當然，計算機技術本身並不壞。然而，問題的核心是結構工程計算中計算機的使用方法，以及濫用計算機不斷增加的趨勢。在道義上資深工程師和工程管理人員有義務特別強調工程實踐中知識，專業技能，以及經驗的重要性，而非計算機使用者的“性別”。在結構工程實踐中，僅僅關心“怎樣”使用計算機是不夠的，瞭解“為什麼”這樣設計才是關鍵。專業的結構工程師必須重視手工求解的原理，基本原則和提煉模型，識別計算結果中的錯誤，解決問題的其他方法，判斷計算結果的有效性。對計算機要又敬又畏，對計算結果應持批評態度，尊重工程實踐經驗，通過工程實踐（而不是通過“世界的有限元分析”，或是靠過分的簡化去滿足那些不合格的結構工程軟件的限制條件）學習工程。強調從那些資深的或更有經驗的結構工程師（即數量急劇減少，但仍記得不依賴計算機，怎樣解決工程問題的真正的工程師）那裏學習結構工程。只有通過訓練專業工程師，而不是通過訓練技術員（即計算機操作員），結構工程界將完全能擔負起服務大眾的責任和義務。

到底該不該如此擔心計算機的不當使用？擔心那種怠惰？擔心工程界默許這種危險作法？雖然計算機對人類有很大的應用價值，但如果結構工程師們繼續象現在這樣破壞性地使用計算機，這些價值就得不到實現。

有什麼辦法才能使結構工程界改變過分依賴計算機的情況？不再濫用計算機？這些都沒有簡單的答案。然而，所有稱職的，經驗豐富的資深工程師都有機會用危險的計算機這一思想去影響年輕人。一個真正的工程師所需要的是不依賴計算機解決工程問題的能力。經常懷疑計算機；在沒有深入的論證以前決不使用計算機的結果。在被工程師證實正確之前，假設計算機提供的結果是錯誤的。在用計算機求解之前，必須先“知道”答案。不崇拜計算機，而崇尚知識和經驗；提倡全面瞭解工程理論和實踐中的所有細節；避免為那樣的僱主工作，他們僅有的學習機會是通過計算機學，而不是通過有實踐經驗的真正工程師的深入訓練。