探析結構工程師到底該如何利用計算機

探析結構工程師到底該如何利用計算機

摘要：計算機的濫用日益威脅著公眾的安全，有意改變這種現(xiàn)狀的人只是極少數(shù)，有能力改變這種現(xiàn)狀的人也只是極少數(shù).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(jīng)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里。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后果的影響。他們必須認真地想一想，有沒有什么辦法，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制圖

計算機是知識、經(jīng)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。人們似乎越來越愿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(jīng)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(yè)知識就是怎樣使用計算機以及計算機本身的專業(yè)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(jīng)驗，以及艱辛的腦力勞動相結合的產(chǎn)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借口。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松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(huán)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(xiàn)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(jīng)驗去解決工程問題。非常不幸，我們變得如此依賴于計算機，以至于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么樣的痛苦和挫折沒有經(jīng)歷過？這些人已不再有能力，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(jīng)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(jīng)驗，直覺，靈感，領悟力，創(chuàng)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，而計算機能夠并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?！肮こ處煛蹦茏龅?，僅僅是區(qū)分規(guī)格和需求，給顧客開發(fā)票，牟取利潤，并且迅速找到新項目。

今后，只有越來越少的工程師能獨立地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。隨著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(jīng)驗的程序員，或是有其他專業(yè)學位而不是結構工程學位的程序員來做？計算機現(xiàn)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(xù)制造這樣的氛圍，在結構工程實踐中，首先靠計算機，而不是靠有學識、有創(chuàng)新和有豐富經(jīng)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(xiàn)實生活中，結構工程師發(fā)現(xiàn)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(jié)。這種“方式”就是計算機。工程師們現(xiàn)在的行為方式符合宇宙的自然規(guī)律，即用最低的能量消耗前進?，F(xiàn)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(jié)了。

現(xiàn)代工程具有復雜的理論細節(jié)，依靠計算機的工程不能，根本不能，讓人們學習有意義的經(jīng)驗?，F(xiàn)代計算機的運算范圍和速度，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脫的感覺--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(zhí)行的指令大多是沒有經(jīng)驗的程序員編制的，它們的可靠性值得懷疑。在計算中，對于受動力載荷的作用的曲殼結構發(fā)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悅目。這樣下去，只要手上有計算機軟件的使用說明，就可以用計算機得到結果了?；蛘吒奖?，只需在圖形用戶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梁和柱，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(xiàn)代信息技術美好的未來，或是他對那些在神奇的創(chuàng)意中利用這種技術的專家不屑一顧。然而，并不僅僅是這樣。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(yè)。在世界各地，結構的特性是由結構工程設計的質量決定的。由于在實踐中采用了計算機，越來越多的結構工程師正在制造以幻想為基礎的信仰系統(tǒng)，正在發(fā)展難以置信的危險期望。隨著這一趨勢的延續(xù)，工程失效的威脅也會按指數(shù)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?，F(xiàn)在，越來越多的結構工程師希望在解決問題時他們只需區(qū)分類型和條件，讓CAE/CAD程序自動生成必要的數(shù)學模型，完成復雜而重復的分析和設計過程。最后，由制圖工具完成生產(chǎn)圖和施工圖。在這種環(huán)境中，結構工程師唯一的責任就是明確所要解決的問題，然后評價最后的設計“結果”。這種設計方式注定是災難性的。數(shù)不清的軟件開發(fā)商為滿足市場的需求，不斷開發(fā)和推銷注明有各種用途的軟件。于是，不那么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(fā)商經(jīng)常被要求改進結構分析和設計軟件，以使用戶在不詳細了解技術細節(jié)的情況下就能夠使用軟件。例如，這些用戶要求開發(fā)商創(chuàng)造出不用閱讀使用手冊的環(huán)境。因為高質量的結構工程軟件的用戶參考手冊包括軟件的技術細節(jié)，限制范圍，以及計算所依據(jù)的理論和假設，結構工程師們不愿意使用這樣的高質量軟件?，F(xiàn)實是，結構工程師們不希望了解細節(jié)。他們所希望又愿意購買的是窗口界面，這種界面能讓他們處理信息見得到，然后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(shù)值結果。而對于是否能可靠地檢測重特征值；或在用反映譜進行分析時是否用了足夠的模態(tài)；或非線性索單元的理論是否正確；或分析結果對網(wǎng)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(jié)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(jié)。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。為什么不能如此簡單地相信?/!!!輸入數(shù)據(jù)，然后擊鍵，就有了結果。而且，這種方式幾乎沒有人力消耗。

當然，計算機技術本身并不壞。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(yè)技能，以及經(jīng)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，了解“為什么”這樣設計才是關鍵。專業(yè)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(tài)度，尊重工程實踐經(jīng)驗，通過工程實踐學習工程。強調從那些資深的或更有經(jīng)驗的結構工程師那里學習結構工程。只有通過訓練專業(yè)工程師，而不是通過訓練技術員，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(xù)象現(xiàn)在這樣破壞性地使用計算機，這些價值就得不到實現(xiàn)。

有什么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(jīng)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(jīng)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(jīng)驗；提倡全面了解工程理論和實踐中的所有細節(jié)；避免為那樣的雇主工作，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(jīng)驗的真正工程師的深入訓練。

計算機不可能，而且永遠不可能，成為人類知識，經(jīng)驗，遠見，靈感，創(chuàng)造力，獨立思維，以及自古以來的勤奮的替代品。雖然在結構工程實踐中計算機是非常有價值的工具，但是結構工程師必須認識到對工程學的細節(jié)的全面了解，比懂得怎樣在計算機屏幕上游逛不知道要重要多少。警告實際工程師，如果沒有計算機他們的結構工程知識不足以勝任工作，他們也沒有資格使用計算機。

所有稱職的，經(jīng)驗豐富的工程師都意識到，好的計算機程序造就不出稱職的結構工程師，而只有稱職的工程師才能使用好的計算機程序?？杀氖牵m然上面的結論似乎是不言而喻的，但它并不是今天計算機應用的現(xiàn)實。因此需要讓危險曝光，并實現(xiàn)和完善保護措施。

不幸的是，計算機時代的現(xiàn)實是，所有商業(yè)應用的計算機和計算機軟件都受制于許多因素，這些因素在不同程度上影響了工程軟件作出結構工程問題的正確解答的能力。更值得注意的是，當不正確的結果產(chǎn)生時，它們通常并沒有“錯”到立即被識別出來的地步。更進一步，有時結果有重大錯誤，但如果工程師對“正確”的結果是什么直覺也沒有，也就不可能意識到結果的錯誤。計算機的危險在于，很多工程師假設計算機總是產(chǎn)生“正確”的結果。這樣的假設和希望常常會使工程師對潛在的和經(jīng)常的錯誤放松警惕性和敏感性！

雖然對軟件的質量和可靠性存在著嚴重的憂慮，但你會吃驚地發(fā)現(xiàn)很多結構工程師對這些憂慮表現(xiàn)得多么天真、無知或不負責任。這些天真、無知或不負責任在許多結構工程師購買和使用軟件時表現(xiàn)得最突出。例如，選擇結構工程軟件的最基本標準包括：軟件廣告出現(xiàn)的頻率；肆意宣揚超凡技術能力的大幅精美廣告；低售價；用引人注目的可視性窗口菜單和生動的界面形式來衡量的易用性；用結構系統(tǒng)自動建模的簡單性來衡量的易用性；只需很少或根本不用學習；簡單的使用說明和手冊；五彩繽紛的包裝。而下面的標準卻鮮見。例如，軟件開發(fā)者和其技術支持者的技術資質證明；軟件質量的保證；軟件開發(fā)商的質量保證，質量控制QA/QC過程的嚴格評價；軟件中所用技術的理論依據(jù)的嚴格評價；簡單和復雜例題測試結果的嚴格評價及其與其他獨立求解結果的比較；通過專職技術核查員和經(jīng)驗豐富的結構工程師的一系列獨立和規(guī)范性核查制訂工程軟件國際標準，并按一個或多個工程軟件國際標準定期地對軟件進行校核。

在軟件的實際應用方面，那些只有極少經(jīng)驗，極少學識，最年輕的結構工程師被賦予依靠計算機軟件來解決極度復雜的結構分析和設計問題的主要責任。而那些經(jīng)驗豐