談近代力學思想在土木工程應(yīng)用中存在的困境

趙 正

(湖北工程學院土木工程學院,湖北 孝感 432100)

近代力學的系統(tǒng)化起自牛頓于1687年創(chuàng)作的《自然哲學的數(shù)學原理》，而力學作為諸學科的基礎(chǔ)，在科學的各個門類都產(chǎn)生了深刻的影響。甚而一度產(chǎn)生一種觀念，但凡理論的最終模式與牛頓力學的表達形式存在相似性，則表示這種理論是正確的，麥克斯韋的電磁學的研究中這種傾向是明顯的[1]。

力，作為衡量物質(zhì)之間能夠引起相對運動狀態(tài)改變的物理量。而土木工程的核心問題即在于工程系統(tǒng)的受力穩(wěn)定性和工程系統(tǒng)本身力的傳導(dǎo)機制的自洽性。所以力學與土木工程之間存在著本然的聯(lián)系。雖則如是，然則近代以來力學在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用實踐中依然存在著諸多問題。

本文將著重探討力學在土木工程應(yīng)用中存在的三個困境：

1)尺度的多樣性及多尺度下力學客體差異性的困境；2)工程系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)破壞的局部性所造成的力學客體選擇困境；3)工程狀態(tài)的發(fā)展和近代動力學的速度層次差異所帶來的困境。

1 困境的描述

1.1 尺度的多樣性及多尺度下力學客體的差異性困境

尺度，一般而言依據(jù)探測研究的手段及其可見性的方式可分為：宏觀尺度、細觀尺度、微觀尺度。

土木工程作為一種實踐性極強的學科，其材料構(gòu)成可謂種類繁多。從黏土、粉土到粗粒土、礫石、塊石，再到土石混合體、混凝土。其材料的尺度是存在極大差異的。這種差異不僅表現(xiàn)在材料顆粒可見性的差異，且表現(xiàn)在力學影響機制的差異。以混凝土而言，其可見性尺度為宏觀，而影響其受力性能的內(nèi)部裂隙尺度可以發(fā)展到細觀；以黏土為例，其顆?？梢娦猿叨葹榧氂^，而對其工程屬性影響顯著的礦物成分屬性可以深入到微觀。即便對于同一種材料而言，其工程屬性尚且受到多個尺度下性狀的影響，對于實際工程實踐中所采用的的混合材料，其工程屬性的研究尺度則更不殫繁復(fù)了。

而在不同的尺度下，土木工程材料的力學機制是存在差異的。在宏觀角度而言，普遍可以認為是各向同性，但細觀尺度下則表現(xiàn)為各向異性，微觀尺度下則更多的表現(xiàn)出隨機性。

這種由于尺度的多樣性所導(dǎo)致的力學研究的無序性切實存在，在目前已然成為土木工程學科深入發(fā)展的一大障礙。

1.2 工程系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)破壞的局部性所造成的力學客體選擇困境

工程系統(tǒng)的整體性和局部性，這一點是略有些艱深。

換言之，在土木工程設(shè)計及研究中，工作目標往往是從工程系統(tǒng)的整體性入手。因為工程系統(tǒng)的整體性是其功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而只有能夠發(fā)揮功能的工程才是有價值的。但，頗具嘲諷意味的是，土木工程系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)障礙，或者說是功能的滅亡，往往不是從整體開始，而是發(fā)生在局部的。

不論從高校的工程設(shè)計課本或《規(guī)范》而言，其對于設(shè)計的指導(dǎo)所一貫的思路都是“先滿足整體，后協(xié)調(diào)局部”。這種設(shè)計思想指導(dǎo)下，最終導(dǎo)致我們的設(shè)計人員所設(shè)計的局部，其實只是從系統(tǒng)整體功能實現(xiàn)模型中理論抽象出來的一個計算分項而已。

這種困境的本質(zhì)是思想的困境，而不僅是方法的困境。

1.3 工程狀態(tài)的發(fā)展和近代動力學的速度層次差異所帶來的困境

該條困境是最顯著的。工程狀態(tài)的發(fā)展往往需要數(shù)年乃至數(shù)十年，而在相同的狀態(tài)下采用近代動力學模型往往是不適用的。因為工程狀態(tài)放在數(shù)年乃至數(shù)十年的時間跨度中，是一個動力學問題，而放在一周乃至一秒的時間跨度中，則是一個靜力學問題。而這個差異的來源，是工程狀態(tài)動力發(fā)展的低速性。對這一問題協(xié)調(diào)的一種嘗試是流變學。但將流變學應(yīng)用于土木工程的低速運動問題則是可笑的，在流變學中無論蠕變還是松弛，最終都將實現(xiàn)平衡。而土木工程系統(tǒng)的最終宿命必然是破壞，此論點應(yīng)絕無疑義，一切人類的構(gòu)筑物除卻極少數(shù)用途不明的特例之外，無一存留至今。工程狀態(tài)發(fā)展運動的研究的困境，根本上講是近代力學的局限性所致。

2 對困境的思考

2.1 土木工程學科研究對象的有效性問題

在第1.1節(jié)中的尺度困境。筆者認為，可以用研究對象的有效性來解釋。

何種研究對象是有效的，我們追本溯源，應(yīng)首先發(fā)掘當今的土木工程學科研究對象的歷史根據(jù)。西方近代學術(shù)潮流源于古代希臘，古代希臘的學術(shù)，一言以蔽之，形而上學。形而上學，簡而言之，是從“客體”中提取其“本質(zhì)”，進而升華為理論模型。從自然科學上講，德謨克利特的“原子論”、歐幾里得的“幾何”，乃至牛頓、愛因斯坦的物理理論莫不如此；從社會科學上講，柏拉圖的“理想國”、亞當斯密的《國富論》，乃至達爾文的《物種起源》亦莫不如此。形而上學，必須從一個“客體”實在中，提煉升華出一個模型。用之于土木工程，則黏土、粉土、粗粒土、礫石、塊石等即謂之“客體”，而摩擦角、內(nèi)聚力、彈性模量、變形能等即謂之“本質(zhì)”。

如果以這種研究方式深入下去，伴隨人類認知范圍的增長，則研究對象將無限增長。南宋陸九淵謂朱子之學“支離”，而所謂的多尺度問題，也是形而上學研究方式所導(dǎo)致的的“支離”之一種。以近代土木工程或近代科學數(shù)百年的發(fā)展來看，這種“支離”已令人不能把握，何況千年乎？萬年乎？永恒乎。因而筆者認為，以這種研究方式所選取的研究對象其實是“無效”的。

那么有效的研究對象是什么，如果說上述研究對象是無效的，實則是因為這種研究缺乏一個統(tǒng)率其中的綱領(lǐng)。試將形而上學與中國古代哲學對比展開。

《尚書》曰：“水曰潤下、火曰炎上、木曰曲直、金曰從革、土爰稼穡”。這是中國古代“五行論”的出處?？芍?，五行是事物的物種變化方式(行，就是發(fā)展軌跡)。水，物質(zhì)融合；火，物質(zhì)分離；木，物質(zhì)量變；金，物質(zhì)消滅；土，物質(zhì)轉(zhuǎn)化(化生)。由此或可形成一種理論：任何客體的發(fā)展不外乎上述五種方式。而這五種方式，即是綱領(lǐng)。以綱統(tǒng)目，則“客體”均能入我彀中(將“五行論”與“原子論”對比，可顯著發(fā)現(xiàn)兩者差異)。

故而，筆者認為有效的研究對象，不是“客體”本身，而是“客體”的運化方式。即便以近代科學而言，其能夠獲得較大成就者，如上述所舉，亦不外乎對于客體運化方式的研究。以這種角度看，“多尺度問題”，啻為學術(shù)思想的一種倒退(且不論以觀察手段差異所人為區(qū)分的尺度界限本身即存在一定問題)。

以上述“有效研究對象”而言，土木工程的研究對象，則應(yīng)當是土木工程系統(tǒng)的運化方式，何為土木工程系統(tǒng)的運化方式，則恕筆者不敢妄言。

2.2 土木工程理念的思想困境問題

在1.2中筆者認為“先滿足整體，后協(xié)調(diào)局部”是一種思想困境。這種問題通過與古代建筑的對比可以明顯的覺察到。趙州橋的拱券并列組合設(shè)計思想，即典型的“先局部，后整體”理念。

對于土木工程系統(tǒng)而言，局部與整體絕不是隸屬關(guān)系，而應(yīng)當是并存關(guān)系。當采用并存理念進行規(guī)劃設(shè)計時，方始能夠?qū)⒕植科茐膶φw功能的影響降至最低，甚而無影響。

2.3 工程狀態(tài)運動模式問題

在1.3節(jié)中所揭示的困境，對于土木工程系統(tǒng)的可靠性評價及災(zāi)害預(yù)防是有很大意義的。受限于近代力學思想，目前對于土木工程災(zāi)害預(yù)防的主要有效手段實際上只有實時監(jiān)測一種而已。

土木工程狀態(tài)是運動的。衡量這種運動模式的途徑，只有對低速運動力學進行創(chuàng)建。以往的物理史觀認為牛頓力學是低速運動狀態(tài)力學模式，這種觀念必須得到糾正。

筆者對于低速運動力學的創(chuàng)建，有以下幾條設(shè)想：

1)低速運動是相對的。在量子力學中，物質(zhì)內(nèi)部的電子無時不在高速運動。在有溫度存在條件下，物質(zhì)內(nèi)部分子亦呈現(xiàn)無序的高速熱運動。而低速運動可能是基于對物質(zhì)內(nèi)部粒子運動邊界條件的一種概率說明。

2)低速運動就當前的認知局限而言，也是存在“尺度”的。而運動作為一種物質(zhì)發(fā)展的衡量方式，其對于“尺度”間的貫通具有獨特的優(yōu)勢。因而低速運動模型的理論創(chuàng)造，實際上能夠?qū)ν聊竟こ虒W科涉及的“多尺度問題”形成最終解釋。

3 結(jié)論

本文通過對力學思想在土木工程應(yīng)用中的困境的分析和思考，主要得到以下結(jié)論：1)土木工程學科的發(fā)展，取決于對其研究對象的進一步考量。傳統(tǒng)的研究對象，從較長的時間尺度上講，是無效的。2)工程設(shè)計思想，應(yīng)當突破固有的“先整體，后局部”慣性。整體與局部應(yīng)當是并存關(guān)系。3)土木工程學科的精確化，必然涉及到低速運動力學模型的構(gòu)建。