哲學思維在結構設計原理課程教學中的體現

鄭輝 易翔 唐西婭 梁斌 劉方成

摘? 要：哲學思維是我們認識世界的方式，哲學思維在結構設計原理課程教學中多有體現。土木工程材料的強度與韌性的對立與統一、土木工程不同材料之間的協調與統一、工程結構中的受力與美學、土木工程中的概念設計等內容處處涵蓋著哲學思維。

關鍵詞：哲學思維;結構設計原理;課程教學;材料對立與統一;概念設計

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）05-0125-04

Abstract： Philosophical thinking is the way we know the world， which is reflected in the teaching of structural design principles， such as the opposites and unity of strength and toughness of civil engineering materials， the coordination and unity of different materials in civil engineering， the force and aesthetics in engineering structure， and the conceptual design in civil engineering.

Keywords： philosophical thinking; structural design principles; course teaching; opposition and unity of material; the conceptual design

引言

著名哲學家馬克思說過“哲學家們只是用不同的方式解釋世界，而問題在于改造世界”[1]。面對問題，我們必須先認識它，才能改造它。只有先認識混凝土結構設計原理課程的教學過程的哲學思維，才能用哲學思維實現對該課程教學實踐的改造。

一、土木工程與哲學的關系

“一切學問的本原都應當從哲學里取得”[2]。劉猷桓教授曾說：“我們的時代使命是應用馬克思主義的觀點和方法去反思現代科學技術發展提出的一系列新問題，進而推進馬克思主義科學技術哲學向前發展”[3]。同樣的我們要將哲學的思維運用于土木工程之中，善于用哲學思維解決實際問題，指導實踐。

在土木工程的預算工程中，預算是總體工程開支、稅收等的計算，不僅要考慮建筑材料運輸距離和獲取的難易程度，且要考慮材料的價格。既要考慮工程的整體，也要考慮工程的各個部分;在土木工程的設計中，既要考慮結構的受力，也要考慮結構的形式是否美觀。既要考慮地形結構的限制，也要考慮建筑與環境是否協調。世界萬物是普遍聯系的，相互作用、相互影響。

二、力學與哲學的關系

結構設計原理是土木工程專業的核心課程之一，講述各結構設計的受力分析，包括各結構的拉、壓、彎、剪以及組合情況下的受力分析，結構變形與裂縫的計算等[4]。該課程中公式多、概念多、系數多、條件多等[5]。

在現實生活中，結構的受力是比較復雜的，在進行受力分析時會重點分析可能導致結構破壞的力，而簡化或者忽略一些影響較小的力，這是運用哲學中的兩點論與重點論的思維;在力學中很多公式有系數，這些系數都是人為簡化后的數值，其中又考慮很多種因素影響，體現了人的主觀能動性與客觀規律性的辯證統一。

三、具體實踐

（一）土木工程材料的發展歷程

從石器時代開始，人們便開始慢慢使用一些現有的材料作為工具，例如用鋒利的石頭作為捕獲獵物的工具。為了躲避風雨，早期的人們使用大自然中現有的土、石、草、木以及動物毛皮等材料來做一些簡單的建筑作為自己的住所。人們挖山洞為自己遮蔽風雨以及儲存部分食物，例如黃土窯洞建筑。也有用石頭、泥土以及木材等材料修建簡單的房屋，例如河姆渡干欄式建筑[6]。但是這些建筑比較脆弱，很容易受到自然的毀壞。

進入階級社會，經過勞動的改造，人們的智商慢慢提高，為了更加堅固房屋，人們慢慢開始用泥土和草混合，有了比較成熟的夯土技術，開始制造土坯房屋以及大自然中的一些樹木做材料，還有在大自然中的隕鐵發現，加速了人們使用材料的進步，例如商超的殷墟。這時的建筑堅固很多，但是遇大雨或者發大水容易使得房屋毀壞。從西周開始，各國帝王為了抵御外敵入侵，歷經多個朝代，建成了舉世聞名的萬里長城主要材料為泥土和石頭[7]。隋唐時修建的安濟橋，主要由泥土、石頭組成，歷經1300多年不壞，現存于今。

自春秋戰國以來，城市越來越大，高臺建筑也越來越多，人們有了比較成熟的木結構房屋以及燒制土磚技術，木結構由于材料的限制，無法修建高層建筑，但是木材卻是很好的家具以及裝修材料。魯班對木結構的發展做出了很大的貢獻，堪稱我國土木工程行業的祖師爺，其中榫卯結構影響深遠，即使在當代社會中，榫卯結構還常運用于家具之中。如今中國佛宮寺木塔以及故宮是世界木結構的代表作[8]。

18世紀中葉[9]，由英國亞斯普丁的石匠摸索出了混凝土材料的配比，由于混凝土材料的性能，快速被很多國家所接受，并且不斷發展，混凝土材料屬于粘結性材料，抗壓性能優越，但是抗拉性能較差，后期在混凝土中加入了鋼筋，使得混凝土的性能得到了很大的提升。后來發展到高性能混凝土、活性粉末混凝土以及超高性能混凝土?，F今大多數建筑物都是由混凝土材料組成的，中國三峽大壩是如今最大的水利樞紐工程。

18世紀末，金屬結構開始使用于房屋結構中，鋼材抗拉以及抗壓性能都比較優異，但是鋼材不耐腐蝕且不耐火，后期的維護費用也較高。經過人們的慢慢摸索，鋼結構橋梁、鋼結構房屋、鋼結構鐵塔等慢慢出現。其中比較著名的工程結構有中國鳥巢、法國埃菲爾鐵塔等。

（二）強度和韌性的對立和統一

在蘇達根主編的《土木工程材料》中，抵抗斷裂或者塑性變形的能力就是材料的強度。即某材料承受外界荷載，材料的內部會產生內力，當外力增加時，內力也會隨之增加。當外力值達到某一值時，材料發生破壞，那么此時的極限應力值就是材料的強度。

斷裂或者永久變形時所吸收能量的能力就是材料的強度。材料在受到外力沖擊或者震動時，材料吸收能量后將會產生變形。但是當沖擊力達到一定值時，材料發生破壞，這時材料吸收的能量就是材料的韌性。

鋼材進行冷加工強化時產生的塑性變形，是由于金屬內部結構發生了位錯運動。位錯是材料的原子行列間發生相互滑移形成的缺陷。若材料的位錯運動很難實現，則材料的塑性變形就會很困難。即材料抵抗變形的能力很強，因此材料強度得到提高，但是材料韌性將會降低;鋼筋進行熱處理時，將內應力比較大的材料進行加熱后再冷卻處理，可以消除材料內部的內應力，從而使得材料的韌性和塑性得到增強，但是材料強度會降低。

其實現實當中，材料的強度和韌性是成反比的，這是很多人無法理解的，在日常生活中，大家會認為這兩個名詞代表同一事物。當材料強度的增大，必然對導致材料韌性的下降;材料的韌性增大，也會導致材料的強度降低（如圖1）[10]。從哲學的角度來說，強度與韌性是相互對立的。

哲學讓我們學會要一分為二的看待問題，強度與韌性是相互對立的，但同時強度與韌性也是統一的。在某單一材料中，強度與韌性是相對的;但是在合金或者復合材料中，強度與韌性又是統一的。

材料韌性不好是由于局部產生細微裂縫，若此時加入某種材料，使得這種材料如同連接鍵，將開裂的位置連接好，這樣就可以增強材料的韌性，同時不會對原來材料的強度產生不利的影響，甚至可能增強材料的強度。在現實生活中有很多例子，如鋼筋混凝土、人造復合陶瓷等?；炷敛牧峡箟簭姸容^好，但是韌性不行，當混凝土中加入鋼筋材料后，鋼筋混凝土的強度和韌性都有增強;陶瓷在我們生活中，強度和韌性都不高，但是在加入纖維材料之后，人造復合陶瓷的強度和韌性都會得到提升。所以說強度與韌性也是統一的。

（三）不同材料的協調和對立

材料是現實當中構成物質或物體的基礎，我們生活當中的各種物體可以滿足我們不同的需求，比如陶瓷杯子非常好看且實用，但是非常容易破碎，為了保護杯子，我們便可以在里面加入另外一種增強韌性的材料，使得陶瓷杯子堅固一些。在當今的社會中，最容易見到的物體莫過于鋼筋混凝土建筑，生活在城市中，我們基本被鋼筋混凝土所包圍，但是鋼筋和混凝土兩種不同的材料為什么可以一起受力呢？

不同材料的性能各不相同，混凝土材料抗壓性能比較好，但是不抗拉;鋼筋抗拉和抗壓性能都比較好，但是當鋼筋長度稍微大一些后，容易出現失穩。為了彌補兩種材料之間的不足，當兩種材料以某種形式結合之后，鋼筋增強了混凝土的抗拉性，混凝土增強了鋼筋的防失穩能力。鋼筋與混凝土的結合，充分發揮了它們各自的優點和特性，結合成整體，共同承受外界的荷載，這是材料與材料之間的協調作用所導致的[11]。在哲學中，任何事物都具有兩面性，不同的材料之間有協調的作用，那么也一定有對立的材料。

材料之間的協調是指兩者之間相互促進、共同提升性能的作用;材料之間的對立是指兩者之間相互破壞、降低性能的作用。在現實的鋼筋混凝土結構中，許多橋梁或者建筑物沒有達到使用年限，但由于鋼筋被銹蝕之后，使得結構的承載力降低，達不到承載力要求，從而使得結構必須進行加固或者推倒重修，這個對于社會來說，會造成極大的浪費?；炷翆涌梢员Ｗo鋼筋不被氯離子材料銹蝕，但一旦混凝土產生裂縫或者出現空隙，且外界中的氯離子濃度達到一定的限值，氯離子就是順著裂縫或空隙與鋼筋發生反應，使鋼筋被銹蝕，鋼筋發生膨脹破壞，從而使得鋼筋混凝土膨脹，使得結構的強度降低，甚至導致結構破壞，這是我們必須阻止的。這就是材料之間的對立，是我們在使用鋼筋時必須注意的地方[12]。

由于不同材料之間的協調與對立，我們要具體情況具體分析，使得各材料之間的反應朝著對我們有利的方向前進，也可以使各種材料發揮最大的作用。

（四）力與美

著名的結構工程大師奧維·阿勒普（Ave Arup）說：“工程師看到的是結構，建筑師看到的是造型，其實，兩者皆是?！比魏谓ㄖこ潭际鞘芰εc美學的結合，從哲學的角度來說，任何將兩者割裂的看法都是片面的，只有將兩者合二為一，才能創造出完美的佳作[13]。

工程結構給我們的第一印象是視覺上的沖擊，這種沖擊不只是工程結構本身，還與工程結構周圍的環境有關，悉尼海港大橋與悉尼歌劇院的組合，該橋為單孔拱橋，猶如一道彩虹橫跨海灣兩岸，氣勢磅礴，與此同時，該橋與悉尼歌劇院互相呼應，美不勝收[14]。當然美并不一定要獨樹一幟，對于工程來說，我們應該首先滿足內在美，再去考慮外在美，同時還要考慮經濟效益。比如北京的CCTV總部大樓，將總部水平樓層懸挑70余米，造型奇特，創意十分出色，該創意也將載入史冊，但是建造時付出的代價也是巨大的，而且2009年元宵佳節因放煙花給這座奇異的建筑帶來了不少的損失;世界上最奇特的建筑之一——悉尼歌劇院，在大家眼里它是非常優美的，它的美在于屋頂奇異的結構，該結構違背建筑中的邏輯關系，使得建筑時間長達14年之久，該建筑的造價也高于預算十多倍[13]。

在我國古代，由于建筑材料的限制，人們利用石塊的受壓性能，采用起拱的方式使得橋梁主要承受壓力，我國趙州橋便是石拱橋的典范。拱橋作為三種基本橋型之一，是一種極具表現力的橋梁形式，拱肋是拱橋展現其魅力的重要構造，如我國南京大勝關大橋如同臥式長弓，蓄勢待發，直沖云霄;斜拉橋與懸索橋中，橋塔與橋索為主要受力部分，橋塔高聳入云，橋索對稱分布，極具動態美[15];只有將受力和美學相結合，這才是工程結構應有之意。

（五）概念設計的哲學思考

概念設計首先分析用戶需求，根據用戶的需求設計出概念產品的一系列有序、有組織、有目標的過程，由粗到細、由抽象到具體的不斷反復進化的過程。概念設計的過程是曲折的，方向是前進的，是曲折性與前進性的統一[16]。

概念設計即是利用設計概念并以其為主線貫穿全部設計過程的設計方法。概念設計是將腦海中的構思轉化成現實，是將設計者的感性思維和瞬間思維升華為理性的現實過程。對任何事物的認識，都是從感性慢慢上升到理性，這是人們認識的一次飛躍。再從理性轉化為實踐，這是人們認識的第二次飛躍。如果割裂了兩者的關系，就會走向教條主義或者經驗主義，就無法認識到事物的本質，從而無法達到我們想達成的目標。

概念的設想是創造性思維的一種體現，概念產品是一種理想化的物質形式[17]。

在中國的歷史文化長河中流傳的許多故事，有向往美好生活的，也有希望一生平平安安的。人們生活中有許多諧音，有人認為將斷了的鑰匙掛在自家孩子身上，代表“斷藥”，從此自己孩子健健康康成長。根據這個概念以及人們心中的需求，可以衍生設計出多種產品，包括裝飾品、健康產品等[18]。

一件產品，從設計到問世，從問世到投入市場，這一過程體現了很多哲學原理。例如上面這個例子當中，由“概念的設想是創造性思維的一種體現”，這證明意識對物質具有作用，正確的意識推進事物的發展，錯誤的意識阻礙事物的發展，要重視意識的作用，樹立正確的思想意識;從“斷鑰”到“斷藥”體現了世界上的一切事物都處在普遍的聯系當中，世界是一個統一的整體，萬事萬物處于聯系當中，要求我們堅持用聯系的觀點觀察和分析問題，這樣我們才能從“斷鑰”聯想到“斷藥”;由“斷藥”聯想到各類產品，體現了外因和內因的關系，每個人設計的方案卻各有區別，這個告訴我們事物的發展是內因和外因共同起作用，內因是事物變化發展的根據，外因是事物變化發展的條件，分析和解決問題時，堅持內外因相結合的觀點;由各類產品的不同點，體現了矛盾的特殊性，不同事物的矛盾具有不同的特點，同一事物的不同階段有不同的矛盾，這就要求我們想問題、辦事情必須堅持具體問題具體分析。

當然，產品的類型各式各樣，產品將人的思維物化，設計是一種感性行為。在這種思維創造性行為活動中，產品概念的構思是豐富的，人的創作智慧是無窮的。

四、結論

在混凝土結構設計原理的教學過程中，應通過哲學思維中的批判性思維增強自身的批判性意識和精神，將哲學思維滲透于學習過程中，更好地把握事物之間的聯系，逐步提高自己的理解能力。在我們研究和解決問題時會不自覺地運用哲學中的世界觀和方法論，哲學思維對各個研究領域都具有推動作用。

參考文獻：

[1]熊晨幢.《關于費爾巴哈的提綱》“第十一條”研究[J].智庫時代，2019（2）：129-129.

[2]李伯聰.工程哲學引論——我造物故我在[M].鄭州：大象出版社，2002：14-52.

[3]柘珂.“現代科學技術與當代哲學高峰論壇”綜述[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2005，7（1）：35-36.

[4]夏紅春.混凝土結構設計原理課程教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2019，28（1）：83-87.

[5]程怡.混凝土結構設計原理應用型特色課程教學模式改革探索[J].河南教育：高教版（中），2019（2）：78-80.

[6]勞伯敏.河姆渡干欄式建筑遺跡初探[J].南方文物，1995（1）：50-57.

[7]秋夕.雄雞版圖上的萬里長城 世界文明史里最磅礴的中國符號[J].環球人文地理，2019（2）：14-25.

[8]張仲強.木結構建筑[J].世界建筑，2002（9）：17-21.

[9]李宇坤.淺談土木工程材料的發展歷程[J].科技風，2016（12）：131-131.

[10]Ritchie R O. The conflicts between strength and toughness[J]. Nature materials， 2011，10（11）：817.

[11]王寶儒.鋼筋和混凝土的共同工作原理探討[J].山西建筑，2009，35（30）：71-72.

[12]徐向鋒.混凝土中檢測氯離子含量判定鋼筋銹蝕的不確定性分析[J].中國水運（下半月），2019，19（05）：257-258.

[13]國曉偉.建筑創作中的結構美學研究[D].河北工程大學，2014.

[14]梁晨.橋梁景觀藝術在拱橋結構設計中的運用研究[D].沈陽建筑大學，2013.

[15]涂靜.纜索支承橋梁橋塔的造型及其力學特性[D].長安大學，2005.

[16]劉玲玲.產品設計1課程中概念設計教學實踐探討——以2013世寶杯珠寶首飾設計大賽為例[J].美術教育研究，2014

（3）：120-121.

[17]燕坤.概念設計在建筑結構設計中的應用[J].中國建材科技，2019（2）：120-120.

[18]楊冬梅，高炳學，石小濱.概念設計中的虛擬現實技術[J].現代制造工程，2003（5）：91-92.