在高層建筑結構設計課程中引入工程哲學思想的探討

江勝華++李偉清++汪時機

摘要：高層建筑涉及諸多的學科和專業(yè)領域，具有復雜、跨專業(yè)的體系，并具有顯著的社會性特征。土木工程本科專業(yè)以培養(yǎng)工程技術人才為主要目標，為培養(yǎng)復合型土木工程人才，有必要將工程哲學思想引入高層建筑結構設計課程。將工程系統(tǒng)觀、工程社會觀和工程倫理觀等思想和理念與高層建筑結構設計課程相結合，培養(yǎng)學生以全局、系統(tǒng)的方式和觀點思考高層建筑結構設計方法，并在社會層面上處理高層建筑結構設計中的問題。

關鍵詞：高層建筑結構設計；工程哲學；土木工程；應用型本科；復合型人才

中圖分類號：TU972；G6423文獻標志碼：A文章編號：10052909（2016）03008905土木工程本科專業(yè)以培養(yǎng)工程技術人才為主要目標，以工程計算理論和計算分析方法為基礎，主要培養(yǎng)學生在實際工程中的應用能力。工程本質上是一種社會實踐，是人類社會存在和發(fā)展的根本所在，是經(jīng)濟、文化、歷史、政治、環(huán)境等諸多因素綜合作用的社會活動?，F(xiàn)代工程是一個涵蓋了各種行業(yè)、各種學科、各種因素的綜合性龐大系統(tǒng)，亟需各類復合型人才，而復合型人才除了必須熟悉本專業(yè)或領域的專業(yè)技術之外，尚需要掌握工程觀和方法論，并將其融合到本專業(yè)領域，這就是培養(yǎng)復合型工程師對工程哲學教育的必然需要[1-3]。培養(yǎng)設計、施工、管理、運營等土木工程第一線需要的高等技術復合型人才，是土木工程本科專業(yè)教育適應當前社會發(fā)展的必然要求。

工程哲學是理論哲學向實踐哲學的轉向、過渡和延伸，更多針對實踐層面的問題[4]。工程哲學的基本思想是模式問題，即模式和真理的聯(lián)系，實踐模式與主體性、價值性等諸多因素之間的關系。現(xiàn)代的土木工程師應具有全局的觀念和社會責任意識，并掌握正確的工程觀，以社會視角處理工程中的難題[5-6]。

通過向高空發(fā)展，高層建筑在有限面積的土地上為人類社會爭取到更多的生存空間，大幅度提高了土地的利用率，同時促使城市道路、市政管線等公共設施相對集中。目前，高層建筑將工作和生活設施適當集中，綜合了各種配套設施，比如辦公、商業(yè)、娛樂、展覽、餐飲等，將人們不同的活動有機聯(lián)系[7-8]。高層建筑是現(xiàn)代科學和技術不斷發(fā)展、進步的結晶，其設計、施工和運營涉及諸多學科、專業(yè)和領域。高層建筑的發(fā)展涉及土木工程學科中的土木工程測量、土木工程材料、建筑結構、巖土工程、土木工程施工和土木工程機械與設備等眾多的二級學科，且有賴于材料工程、機械工程、電氣工程、能源與動力工程、電子信息工程、通信與控制技術、計算機科學技術等相關一級學科。

由于涉及多個學科和專業(yè)領域，高層建筑具有復雜的體系，并體現(xiàn)顯著的社會性特征，如將工程哲學納入到高層建筑這一工程實踐中，有望更科學、經(jīng)濟、有效、合理地指導高層建筑的設計、施工和運營。因此，在高層建筑結構設計課程中，有必要引入工程哲學的思想，將工程系統(tǒng)觀、工程社會觀和工程倫理觀等與高層建筑結構設計相結合，培養(yǎng)學生以全局、系統(tǒng)的觀點處理高層建筑結構的設計問題，并在社會層面思考高層建筑結構的設計理念。

一、高層建筑結構設計課程中的工程系統(tǒng)觀

高層建筑結構呈現(xiàn)復雜的體系特征，影響因素繁雜，影響范圍大，系統(tǒng)規(guī)模巨大，結構之間的關系及相應的環(huán)境影響錯綜復雜，并表現(xiàn)出因素及目標的多樣性，且人的影響及經(jīng)濟利益性日益明顯，因此，高層建筑結構設計具有顯著的工程系統(tǒng)觀，包括整體性、動態(tài)性、目的性及多目標性和人本性。

（一） 整體性

整體性是工程系統(tǒng)最核心、最本質的特點。工程系統(tǒng)一般具有明確的結構、功能相對清晰的邊界，并具有相對獨立的系統(tǒng)元件或要素，各元件或要素之間相互聯(lián)系，且可實現(xiàn)能量轉換，并根據(jù)系統(tǒng)功能的相互依存性、邏輯統(tǒng)一性和技術規(guī)范性進行了空間與時間的優(yōu)化[5]。在一個系統(tǒng)中，即使各元件或要素并非最優(yōu)，但也可采用一定的集成方式組合、協(xié)調成為具有優(yōu)秀功能的系統(tǒng)；反之，即使各元件或要素均優(yōu)異，但因集成方式不當而不具備某種合格的功能，也無法稱為合格的系統(tǒng)。

高層建筑結構最主要的荷載為水平荷載，為減小水平荷載的不利影響，高層建筑不應采用嚴重不規(guī)則的結構體系，結構的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉效應而形成薄弱樓層或薄弱部位。結構的水平和豎向布置，均為宏觀、整體意義上對高層建筑結構的控制，在全局上協(xié)調、綜合成為完善的系統(tǒng)。

對于框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構等高層建筑結構，強柱弱梁、強節(jié)點弱構件、強墻肢弱連梁等規(guī)定了不同構件之間在剛度和承載力等層面上的協(xié)調方式，使梁與柱、節(jié)點與構件、墻肢與連梁之間均構成協(xié)調的系統(tǒng)，從而形成較完善的內力分配，在荷載增長期間形成合理的內力重分布路徑，在破壞時使塑性鉸出現(xiàn)的先后順序符合結構體系的破壞模式。

（二）動態(tài)性

社會的變革與發(fā)展，內外環(huán)境的變化，以及工程系統(tǒng)自身運行的動態(tài)性使工程系統(tǒng)的動態(tài)性和不確定性日益突出。在高層建筑結構設計中，亦要考慮結構在荷載變化和使用過程中的動態(tài)性發(fā)展歷程。

隨著荷載逐漸增大，直至達到極限荷載而發(fā)生破壞，單一構件的破壞方式有延性破壞和脆性破壞。對于脆性破壞或延性破壞而言，單一構件的極限承載能力可能相同，但在構件的整個變形和塑性發(fā)展歷程中，塑性鉸的轉動能力不同，構件對地震能量的耗散不同，導致體系的破壞模式完全不同，從系統(tǒng)和動態(tài)發(fā)展的角度來看，導致結構體系的承載力有所不同。因此，高層建筑結構的構件大多設計為延性破壞的模式，從一定程度上，可使結構體系在全壽命服役過程中，達到一種動態(tài)的協(xié)調。

以梁柱構件的強剪弱彎和雙肢剪力墻的偏心受壓為例，對于梁柱構件的強剪弱彎，通過限定不同破壞模式發(fā)生的時空特征，在破壞歷程中達到結構的動態(tài)協(xié)調。對于雙肢剪力墻，如果有一個墻肢出現(xiàn)小偏心受拉，該墻肢可能會出現(xiàn)水平通縫而失去受剪承載力，則由荷載產(chǎn)生的剪力將全部轉移給另外一個墻肢，導致其受剪承載力不足；當雙肢剪力墻中有一個墻肢出現(xiàn)大偏心受拉時，墻肢會出現(xiàn)裂縫，使其剛度降低，剪力將在兩墻肢中進行再分配，此時另一墻肢承受的彎矩和剪力將增大。顯然易見，雙肢剪力墻的小偏心受拉和大偏心受拉，在截面設計中均要考慮服役過程中內力的動態(tài)性協(xié)調。

（三） 目的性及多目標性

工程系統(tǒng)為人造系統(tǒng)，一般具有明確的目的和功能，力求實現(xiàn)系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展。現(xiàn)代工程系統(tǒng)的目標通常具有多重屬性，來自這些方面的多重目標要求，而其中又不乏相互沖突的目標，需要權衡優(yōu)化。

高層建筑結構的設計，往往要滿足安全性、適用性、耐久性、經(jīng)濟性、施工的便利性等多方面的要求。首先，高層建筑應能承受正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種荷載和變形，在地震或爆炸發(fā)生時和發(fā)生后保持必需的整體穩(wěn)定性不致發(fā)生倒塌，一般通過承載力計算實現(xiàn)。其次，高層建筑結構在正常使用過程中應具有良好的工作性能，一般通過水平位移和加速度進行限制。然后，高層建筑結構在正常維護條件下應完好地使用到設計規(guī)定年限。另外，高層建筑結構的造價不宜過高，并且方便施工。

（四） 人本性

在工程系統(tǒng)和工程活動中，人的因素凸顯，人-機-環(huán)境關系是最基本的關系。這中間要考慮業(yè)主、設計者、施工方、監(jiān)理方等投資、決策、建設、運營的各方利益，因此，相關利益方的觀點及協(xié)作方式愈加重要。工程系統(tǒng)中人的要素、管理要素、信息要素等日益重要，系統(tǒng)“軟化”趨勢較為明顯。工程系統(tǒng)應為人類的長遠利益和大局利益服務，應該以人為本。

高層建筑結構，歸根結底為人住宿、辦公、從事各項工業(yè)活動等生活環(huán)境，理應處處體現(xiàn)以人為本的特征。高層建筑結構的設計，不僅要考慮承載力的要求，還要考慮高層建筑的使用功能要求。在風荷載作用下，高層建筑結構應具有良好的使用條件，需考慮人體的舒適度，不能僅用水平位移來控制，通常結構的風振加速度是衡量人體對風振反應的最好尺度[9]。高層建筑結構在風荷載作用下將產(chǎn)生振動，如振動加速度超過一定的限值，將降低高層建筑內居住者的舒適感，甚至讓人無法承受。因此，需要計算順風向和橫風向結構頂點的最大加速度。在地震作用下，通過消能隔震設計，減小樓層內的加速度反應及上部結構的水平力和層間變形，地震時上部結構處于彈性狀態(tài)，使高層建筑結構中的家具和日常用品不跌落翻倒，電力、上下水和煤氣等管道或管線可實現(xiàn)日常功能，專用設備、大型設備等可正常運行，從而實現(xiàn)高層建筑結構在小震或中震等類別的地震作用下可正常使用。

二、 高層建筑結構設計課程中的工程社會觀

高層建筑結構設計具有顯著的工程社會觀，包括工程目標的社會性、工程活動的社會性、工程評價的社會性。

（一）工程目標的社會性

工程目標的社會性往往反映在工程的社會效益上。工程的社會效益與經(jīng)濟效益可能一致，也可能相互矛盾。對于成本與效益的關系，目前有相當數(shù)量的工程以經(jīng)濟效益為目標，而另外一部分工程以社會效益為主。許多工程，尤其是公共、公益工程，其首要目標并不是經(jīng)濟效益，而是增加社會福利，促進社會公平，改善生態(tài)環(huán)境等。

在許多城市由政府主導建設的作為經(jīng)濟適用房的高層建筑是為工薪階層提供住房，國家公共衛(wèi)生防疫體系的建設，比如醫(yī)院等高層建筑，是為民眾提供公共衛(wèi)生和健康方面的保障，國家科教組織部門建設的教學樓、城市圖書館、博物館等是為民眾提供教育，傳播文化。公共、公益性的高層建筑，旨在經(jīng)濟的長遠發(fā)展、社會福利和穩(wěn)定等，而不僅僅局限于追求短時間內的經(jīng)濟效益。在這類高層建筑結構的設計中，不應單純地考慮工程造價，而應更多地考慮安全性、適用性和耐久性等特征，且在安全性、適用性和耐久性等方面均應高于普通高層建筑。

（二） 工程活動的社會性

工程活動是投資者、管理者、工程師、工人等協(xié)同參與的，其在工程實踐活動中各盡其責，相互配合，每類人員都各有其自身特定的、不可取代的重要作用。在工程活動中，業(yè)主進行投資活動，管理者實施管理活動，工程師要進行工程設計、施工組織等技術活動，工人則具體進行施工方面的操作。由此可見，工程活動是各學科、各領域、各類型的人以一定方式組合的社會性活動，不僅包含了繁雜而系統(tǒng)的、物質性的操作活動，且包含了各類人群的協(xié)作活動。

高層建筑結構設計的社會性，重點體現(xiàn)在施工工藝、工序上。在基礎工程方面，高層建筑基礎包括樁基礎、筏式基礎、箱型基礎等，存在著深基坑支護、樁基礎施工、大體積混凝土澆筑、深層降水等施工問題，在高層建筑基礎的設計階段，應結合施工工藝和施工流程進行結構設計和施工階段的力學計算。在模板、鋼筋技術、腳手架、砌筑、放水和裝修等施工技術方面，同樣需要在結構設計階段預先考慮施工的便利性，并分析施工階段的力學性能。

（三）工程評價的社會性

在工程的社會評價時會遇到兩個難題。首先，與經(jīng)濟效益的可精確計量性質相比，工程的社會效益通常是很難衡量的，因此應確立科學的評價標準和評價指標。其次，在當代社會，已呈現(xiàn)多元價值觀與利益分化的特點，同樣的工程在不同的社會階層會得到?jīng)Q然不同的評價，這就提出了如何合理確定主體以及評價程序的問題[10]。

高層建筑往往涉及建筑、結構、暖通、給排水、電氣等諸多行業(yè)，需要大范圍、多層次、全方位深入地對高層建筑進行評價，同時，對于高層建筑在運行期間的能源資源消耗、環(huán)境保護、人文景觀、社會公益等方面進行衡量。因此，對于高層建筑結構設計階段的工程評價，應綜合考慮不同專業(yè)領域，并結合建設和運行、經(jīng)濟和環(huán)境等多重效應的相互影響，在社會層面上對高層建筑結構設計進行評價。

三、 高層建筑結構設計課程中的工程倫理觀

高層建筑結構設計的工程倫理觀包括質量與安全、誠信與利益沖突、工程師與雇主的關系等。

（一）質量與安全

質量是工程和技術產(chǎn)品發(fā)揮功能、實現(xiàn)其價值的先決條件。世界上的工程規(guī)范、規(guī)程和標準等均要求將民眾的生命安全、身體健康和社會福利置于首要考慮的位置，保證工程質量合格、可靠是實現(xiàn)這一目標的基礎。反之，不達標的工程或產(chǎn)品則會給人民的生命安全、身體健康和財產(chǎn)安全帶來嚴重的威脅甚至巨大的破壞，并帶來連鎖性的次生災害[10-11]。世界上諸多國家在大地震后調查和研究造成財產(chǎn)損失和人員傷亡的原因時發(fā)現(xiàn)，降低建設標準和未按要求進行檢測通常是許多建筑物倒塌的兩大直接原因，而在其“深層”則存在著倫理觀念、倫理責任方面的原因。

安全與風險是存在密切聯(lián)系的，所有的工程必然涉及風險。日益復雜的技術系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題會產(chǎn)生意想不到、無法估量的后果。某些過去曾經(jīng)被認為是安全的產(chǎn)品、安全的化學物質、安全的生產(chǎn)流程、工藝等，后來卻發(fā)現(xiàn)其實并不安全。許多事例告誡人們，現(xiàn)代社會正面對空前巨大、復雜的風險。

在高層建筑結構設計時，要首先保證安全的影響，包括結構的安全、防火、臺風、恐怖襲擊等多種因素。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展、城市人口的膨脹、各種高科技工業(yè)的產(chǎn)生，將會出現(xiàn)諸多不可預料的事物，將會對高層建筑結構在全壽命過程中的服役性能產(chǎn)生重要的影響，比如，未來地下空間的發(fā)展、地下水的抽取對高層建筑結構地基和基礎的長期影響，地鐵長期震動對高層建筑結構地基的影響，空氣污染、酸雨作用對高層建筑結構腐蝕性、耐久性的影響，恐怖襲擊、突發(fā)事件對高層建筑結構安全的影響（911恐怖襲擊事件導致紐約世貿中心雙子塔倒塌），通風、采光、環(huán)境等對高層建筑結構設計的影響。因此，面對未來諸多不可預料的發(fā)展前景，應前瞻性地思考問題，預測設計可能帶來的不利后果，宜以長遠的眼光和超前的設計思想保證高層建筑結構的安全性、適用性和耐久性。

（二） 誠信與利益沖突

美國工程師倫理規(guī)章要求工程師必須誠實地參與任何工程，誠信為工程倫理的最基本要求[12-13]。工程活動是一種通過客觀規(guī)律，采用物質、能量、信息改造客觀世界的過程，實事求是的態(tài)度是其必然要求，誠信是對工程活動的一個基本倫理要求。

高層建筑往往涉及千百萬人的生命和財產(chǎn)安全，在高層建筑結構設計過程中，往往與投資、施工等多方面相關，其工程活動是在社會的多種合力驅動下進行的，并涉及多方利益，因而也經(jīng)常處于利益沖突的境況中，利益沖突的影響對工程師個人、群體、單位、社會往往都會產(chǎn)生不利的影響，工程師應誠實并公正地進行設計，且應通過回避、公開、制定有關規(guī)則，審查和教育等方式保持基本的職業(yè)誠信。

（三）工程師與雇主的關系

通常情況下，工程師都服務于一定的組織機構，在古代往往是軍隊，在現(xiàn)代則大多數(shù)是企業(yè)，少部分是政府部門。由于近代工程自誕生之日起主要就是與企業(yè)聯(lián)在一起，于是，忠誠于企業(yè)在世界上很多國家已成為了工程師職業(yè)倫理的一個基本準則。但是，作為專業(yè)技術人員，工程師不但必須忠誠于雇主（或委托人），而且要堅持其道德原則和職業(yè)底線，即首先對人民和社會負責[12-13]。但是，這兩種要求并非完全一致，很多情況下可能發(fā)生矛盾。工程的社會價值目標與企業(yè)目標或工程的商業(yè)目標并不完全一致。工程的社會價值目標通常對商業(yè)價值目標中的贏利產(chǎn)生不利影響。這種沖突會直接影響到工程師和企業(yè)管理者的復雜關系。因此，工程師應具備雙重的忠誠，且對人民和職業(yè)的忠誠將置于對雇主的忠誠之上。

由于高層建筑結構涉及千百萬人的生命和財產(chǎn)安全，涉及商業(yè)、住宅、辦公樓等諸多領域，工程師在高層建筑結構的設計、施工、管理等過程中，必須具有“雙重的忠誠”，對社會大眾和土木工程職業(yè)的忠誠應置于首要位置。

四、 結語

高層建筑涉及多個學科和專業(yè)領域，具有復雜的體系，并體現(xiàn)顯著的社會性特征，為培養(yǎng)復合型的土木工程專業(yè)人才，提出在高層建筑結構設計課程中引入工程哲學的思想，將工程系統(tǒng)觀、工程社會觀和工程倫理觀等與高層建筑結構設計相結合，培養(yǎng)學生以全局、系統(tǒng)的觀點思考高層建筑結構設計方法，并在社會層面處理高層建筑結構設計的問題。

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Abstract： Structural design of tall buildings is related with various subjects and technical fields， and has complex and crossdiscipline system， which is characterized as obvious society. Major of civil engineering is the higher education aimed at training engineering talents. In order to cultivate compound talents for civil engineering， it is necessary that the engineering philosophy should be introduced into the curriculum of structural design of tall buildings. The engineering systematic view， engineering social view and engineering ethical view are integrated with the curriculum of structural design of tall buildings， so that the students can use the global and systematic mode of thinking for structural design of tall buildings， and tackle the problems for structural design of tall buildings from social aspect.

Keywords： structural design of tall building； engineering philosophy； civil engineering； applicationoriented undergraduate； compound talents

（編輯周沫）