談近代力學思想在土木工程應用中存在的困境

趙 正

(湖北工程學院土木工程學院,湖北 孝感 432100)

近代力學的系統化起自牛頓于1687年創作的《自然哲學的數學原理》，而力學作為諸學科的基礎，在科學的各個門類都產生了深刻的影響。甚而一度產生一種觀念，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，作為衡量物質之間能夠引起相對運動狀態改變的物理量。而土木工程的核心問題即在于工程系統的受力穩定性和工程系統本身力的傳導機制的自洽性。所以力學與土木工程之間存在著本然的聯系。雖則如是，然則近代以來力學在土木工程領域的應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)工程系統的整體性和系統破壞的局部性所造成的力學客體選擇困境；3)工程狀態的發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。這種差異不僅表現在材料顆粒可見性的差異，且表現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部裂隙尺度可以發展到細觀；以黏土為例，其顆粒可見性尺度為細觀，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為各向異性，微觀尺度下則更多的表現出隨機性。

這種由于尺度的多樣性所導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展的一大障礙。

1.2 工程系統的整體性和系統破壞的局部性所造成的力學客體選擇困境

工程系統的整體性和局部性，這一點是略有些艱深。

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

不論從高校的工程設計課本或《規范》而言，其對于設計的指導所一貫的思路都是“先滿足整體，后協調局部”。這種設計思想指導下，最終導致我們的設計人員所設計的局部，其實只是從系統整體功能實現模型中理論抽象出來的一個計算分項而已。

這種困境的本質是思想的困境，而不僅是方法的困境。

1.3 工程狀態的發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。工程狀態的發展往往需要數年乃至數十年，而在相同的狀態下采用近代動力學模型往往是不適用的。因為工程狀態放在數年乃至數十年的時間跨度中，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，是工程狀態動力發展的低速性。對這一問題協調的一種嘗試是流變學。但將流變學應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，最終都將實現平衡。而土木工程系統的最終宿命必然是破壞，此論點應絕無疑義，一切人類的構筑物除卻極少數用途不明的特例之外，無一存留至今。工程狀態發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，應首先發掘當今的土木工程學科研究對象的歷史根據。西方近代學術潮流源于古代希臘，古代希臘的學術，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”，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、內聚力、彈性模量、變形能等即謂之“本質”。

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致的的“支離”之一種。以近代土木工程或近代科學數百年的發展來看，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率其中的綱領。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。可知，五行是事物的物種變化方式(行，就是發展軌跡)。水，物質融合；火，物質分離；木，物質量變；金，物質消滅；土，物質轉化(化生)。由此或可形成一種理論：任何客體的發展不外乎上述五種方式。而這五種方式，即是綱領。以綱統目，則“客體”均能入我彀中(將“五行論”與“原子論”對比，可顯著發現兩者差異)。

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”，啻為學術思想的一種倒退(且不論以觀察手段差異所人為區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，則應當是土木工程系統的運化方式，何為土木工程系統的運化方式，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，后協調局部”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計思想，即典型的“先局部，后整體”理念。

對于土木工程系統而言，局部與整體絕不是隸屬關系，而應當是并存關系。當采用并存理念進行規劃設計時，方始能夠將局部破壞對整體功能的影響降至最低，甚而無影響。

2.3 工程狀態運動模式問題

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

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

筆者對于低速運動力學的創建，有以下幾條設想：

1)低速運動是相對的。在量子力學中，物質內部的電子無時不在高速運動。在有溫度存在條件下，物質內部分子亦呈現無序的高速熱運動。而低速運動可能是基于對物質內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發展的衡量方式，其對于“尺度”間的貫通具有獨特的優勢。因而低速運動模型的理論創造，實際上能夠對土木工程學科涉及的“多尺度問題”形成最終解釋。

3 結論

本文通過對力學思想在土木工程應用中的困境的分析和思考，主要得到以下結論：1)土木工程學科的發展，取決于對其研究對象的進一步考量。傳統的研究對象，從較長的時間尺度上講，是無效的。2)工程設計思想，應當突破固有的“先整體，后局部”慣性。整體與局部應當是并存關系。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建。