趙 正

(湖北工程學(xué)院土木工程學(xué)院,湖北 孝感 432100)

近代力學(xué)的系統(tǒng)化起自牛頓于1687年創(chuàng)作的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，而力學(xué)作為諸學(xué)科的基礎(chǔ)，在科學(xué)的各個(gè)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(xué)的表達(dá)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(xué)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(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的物理量。而土木工程的核心問(wèn)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(jī)制的自洽性。所以力學(xué)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(lái)力學(xué)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐中依然存在著諸多問(wèn)題。

本文將著重探討力學(xué)在土木工程應(yīng)用中存在的三個(gè)困境：

1)尺度的多樣性及多尺度下力學(xué)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(xué)客體選擇困境；3)工程狀態(tài)的發(fā)展和近代動(dòng)力學(xué)的速度層次差異所帶來(lái)的困境。

1 困境的描述

1.1 尺度的多樣性及多尺度下力學(xué)客體的差異性困境

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

土木工程作為一種實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)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?？梢?jiàn)性的差異，且表現(xiàn)在力學(xué)影響機(jī)制的差異。以混凝土而言，其可見(jiàn)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(xì)觀；以黏土為例，其顆?？梢?jiàn)性尺度為細(xì)觀，而對(duì)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(duì)于同一種材料而言，其工程屬性尚且受到多個(gè)尺度下性狀的影響，對(duì)于實(shí)際工程實(shí)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(xué)機(jī)制是存在差異的。在宏觀角度而言，普遍可以認(rèn)為是各向同性，但細(xì)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(jī)性。

這種由于尺度的多樣性所導(dǎo)致的力學(xué)研究的無(wú)序性切實(shí)存在，在目前已然成為土木工程學(xué)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(xué)客體選擇困境

工程系統(tǒng)的整體性和局部性，這一點(diǎn)是略有些艱深。

換言之，在土木工程設(shè)計(jì)及研究中，工作目標(biāo)往往是從工程系統(tǒng)的整體性入手。因?yàn)楣こ滔到y(tǒng)的整體性是其功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，而只有能夠發(fā)揮功能的工程才是有價(jià)值的。但，頗具嘲諷意味的是，土木工程系統(tǒng)的功能的實(shí)現(xiàn)障礙，或者說(shuō)是功能的滅亡，往往不是從整體開(kāi)始，而是發(fā)生在局部的。

不論從高校的工程設(shè)計(jì)課本或《規(guī)范》而言，其對(duì)于設(shè)計(jì)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(jì)思想指導(dǎo)下，最終導(dǎo)致我們的設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的局部，其實(shí)只是從系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)模型中理論抽象出來(lái)的一個(gè)計(jì)算分項(xiàng)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(dòng)力學(xué)的速度層次差異所帶來(lái)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(dòng)力學(xué)模型往往是不適用的。因?yàn)楣こ虪顟B(tài)放在數(shù)年乃至數(shù)十年的時(shí)間跨度中，是一個(gè)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而放在一周乃至一秒的時(shí)間跨度中，則是一個(gè)靜力學(xué)問(wèn)題。而這個(gè)差異的來(lái)源，是工程狀態(tài)動(dòng)力發(fā)展的低速性。對(duì)這一問(wèn)題協(xié)調(diào)的一種嘗試是流變學(xué)。但將流變學(xué)應(yīng)用于土木工程的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題則是可笑的，在流變學(xué)中無(wú)論蠕變還是松弛，最終都將實(shí)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(diǎn)應(yīng)絕無(wú)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(wú)一存留至今。工程狀態(tài)發(fā)展運(yùn)動(dòng)的研究的困境，根本上講是近代力學(xué)的局限性所致。

2 對(duì)困境的思考

2.1 土木工程學(xué)科研究對(duì)象的有效性問(wèn)題

在第1.1節(jié)中的尺度困境。筆者認(rèn)為，可以用研究對(duì)象的有效性來(lái)解釋。

何種研究對(duì)象是有效的，我們追本溯源，應(yīng)首先發(fā)掘當(dāng)今的土木工程學(xué)科研究對(duì)象的歷史根據(jù)。西方近代學(xué)術(shù)潮流源于古代希臘，古代希臘的學(xué)術(shù)，一言以蔽之，形而上學(xué)。形而上學(xué)，簡(jiǎn)而言之，是從“客體”中提取其“本質(zhì)”，進(jìn)而升華為理論模型。從自然科學(xué)上講，德謨克利特的“原子論”、歐幾里得的“幾何”，乃至牛頓、愛(ài)因斯坦的物理理論莫不如此；從社會(huì)科學(xué)上講，柏拉圖的“理想國(guó)”、亞當(dāng)斯密的《國(guó)富論》，乃至達(dá)爾文的《物種起源》亦莫不如此。形而上學(xué)，必須從一個(gè)“客體”實(shí)在中，提煉升華出一個(gè)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(rèn)知范圍的增長(zhǎng)，則研究對(duì)象將無(wú)限增長(zhǎng)。南宋陸九淵謂朱子之學(xué)“支離”，而所謂的多尺度問(wèn)題，也是形而上學(xué)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(xué)數(shù)百年的發(fā)展來(lái)看，這種“支離”已令人不能把握，何況千年乎？萬(wàn)年乎？永恒乎。因而筆者認(rèn)為，以這種研究方式所選取的研究對(duì)象其實(shí)是“無(wú)效”的。

那么有效的研究對(duì)象是什么，如果說(shuō)上述研究對(duì)象是無(wú)效的，實(shí)則是因?yàn)檫@種研究缺乏一個(gè)統(tǒng)率其中的綱領(lǐng)。試將形而上學(xué)與中國(guó)古代哲學(xué)對(duì)比展開(kāi)。

《尚書》曰：“水曰潤(rùn)下、火曰炎上、木曰曲直、金曰從革、土爰稼穡”。這是中國(guó)古代“五行論”的出處。可知，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(duì)比，可顯著發(fā)現(xiàn)兩者差異)。

故而，筆者認(rèn)為有效的研究對(duì)象，不是“客體”本身，而是“客體”的運(yùn)化方式。即便以近代科學(xué)而言，其能夠獲得較大成就者，如上述所舉，亦不外乎對(duì)于客體運(yùn)化方式的研究。以這種角度看，“多尺度問(wèn)題”，啻為學(xué)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(wèn)題)。

以上述“有效研究對(duì)象”而言，土木工程的研究對(duì)象，則應(yīng)當(dāng)是土木工程系統(tǒng)的運(yùn)化方式，何為土木工程系統(tǒng)的運(yùn)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(wèn)題

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

對(duì)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(dāng)是并存關(guān)系。當(dāng)采用并存理念進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，方始能夠?qū)⒕植科茐膶?duì)整體功能的影響降至最低，甚而無(wú)影響。

2.3 工程狀態(tài)運(yùn)動(dòng)模式問(wèn)題

在1.3節(jié)中所揭示的困境，對(duì)于土木工程系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)及災(zāi)害預(yù)防是有很大意義的。受限于近代力學(xué)思想，目前對(duì)于土木工程災(zāi)害預(yù)防的主要有效手段實(shí)際上只有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一種而已。

土木工程狀態(tài)是運(yùn)動(dòng)的。衡量這種運(yùn)動(dòng)模式的途徑，只有對(duì)低速運(yùn)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行創(chuàng)建。以往的物理史觀認(rèn)為牛頓力學(xué)是低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)力學(xué)模式，這種觀念必須得到糾正。

筆者對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)建，有以下幾條設(shè)想：

1)低速運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。在量子力學(xué)中，物質(zhì)內(nèi)部的電子無(wú)時(shí)不在高速運(yùn)動(dòng)。在有溫度存在條件下，物質(zhì)內(nèi)部分子亦呈現(xiàn)無(wú)序的高速熱運(yùn)動(dòng)。而低速運(yùn)動(dòng)可能是基于對(duì)物質(zhì)內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)邊界條件的一種概率說(shuō)明。

2)低速運(yùn)動(dòng)就當(dāng)前的認(rèn)知局限而言，也是存在“尺度”的。而運(yùn)動(dòng)作為一種物質(zhì)發(fā)展的衡量方式，其對(duì)于“尺度”間的貫通具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因而低速運(yùn)動(dòng)模型的理論創(chuàng)造，實(shí)際上能夠?qū)ν聊竟こ虒W(xué)科涉及的“多尺度問(wèn)題”形成最終解釋。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)力學(xué)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(xué)科的發(fā)展，取決于對(duì)其研究對(duì)象的進(jìn)一步考量。傳統(tǒng)的研究對(duì)象，從較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上講，是無(wú)效的。2)工程設(shè)計(jì)思想，應(yīng)當(dāng)突破固有的“先整體，后局部”慣性。整體與局部應(yīng)當(dāng)是并存關(guān)系。3)土木工程學(xué)科的精確化，必然涉及到低速運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建。