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土木工程畢業(yè)論文-結構設計師到底該如何利用計算機
機是知識、經(jīng)驗和思維的替代品�？v觀(guān)當今世界，這種非常令人不安的觀(guān)點(diǎn)正在結構工程師中逐漸蔓延。人們似乎越來(lái)越愿意相信計算機使他們能對工程作出正確的判斷，而根本不去想一想，如果沒(méi)有計算機同樣的工作需要哪些必要的知識和經(jīng)驗。按百分比計迅速增加的工程師相信，解決工程的專(zhuān)業(yè)知識就是怎樣使用計算機以及計算機本身的專(zhuān)業(yè)知識。在結構工程界，把使用計算機的能力當成能勝任工作的證明，作為一種觀(guān)點(diǎn)正在象傳染病一樣到處蔓延。大量的結構工程師確實(shí)相信，他們僅僅簡(jiǎn)單地依靠計算機就可以“解決”工程問(wèn)題了，而沒(méi)有認識到高質(zhì)量的工程只能是淵博的工程知識，大量的經(jīng)驗，以及艱辛的腦力勞動(dòng)相結合的產(chǎn)物。
問(wèn)題是過(guò)分強調自動(dòng)化技術(shù)是以削弱實(shí)際知識為代價(jià)的，過(guò)分強調也演變成了不實(shí)際知識的借口。從和實(shí)踐兩方面來(lái)看，如此過(guò)分強調計算機帶給朝氣蓬勃的年輕工程師們一個(gè)錯誤的信息，工程學(xué)習和工程實(shí)踐就是輕松地使用菜單和用計算機生成五顏六色的圖畫(huà)。
在工程設計環(huán)境中利用信息自動(dòng)化技術(shù)有很?chē)乐氐呢撁�，信息自�?dòng)化技術(shù)象du品一樣能輕易地誘使大腦相信其虛幻的安全性，知識性和能力。在這些自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現其真正的價(jià)值以前，設計工程師必須不依賴(lài)計算機，而用學(xué)識和經(jīng)驗去解決工程問(wèn)題。非常不幸，我們變得如此依賴(lài)于計算機，以至于正在迅速喪失不依賴(lài)計算機進(jìn)行計算工作的技能。
與那些只有依賴(lài)計算機才能“解決”工程問(wèn)題的人討論問(wèn)題時(shí)，一個(gè)稱(chēng)職的結構工程師什么樣的痛苦和挫折沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)？這些人（不要把他們跟真正的工程師混為一談）已不再有能力，或者從來(lái)沒(méi)學(xué)過(guò)，不依賴(lài)計算機解決工程問(wèn)題。從根上他們不懂得，計算機不可能記錄有關(guān)模型、和設計的一些技巧�？梢赃@樣認為，除了具有快捷的計算速度以外，計算機程序只是一些離散的知識。這些人沒(méi)有認識到，知識已經(jīng)遠遠超過(guò)了有限的計算機指令所能編程的界限。真正的工程知識是經(jīng)驗，直覺(jué)，靈感，領(lǐng)悟力，創(chuàng )造力，想象力和“認知”的巨大綜合體，它超越了任何計算機程序和程序員對結構工程的“理解”。恰恰相反，這些人認定世界是一個(gè)巨大的有限元模型，而計算機能夠并且也應該自動(dòng)地建立模型，進(jìn)行分析，完成設計，打印出最終結果�！肮こ處煛蹦茏龅�，僅僅是區分規格和需求，給顧客開(kāi)發(fā)票，牟取利潤，并且迅速找到新項目。
今后，只有越來(lái)越少的工程師能獨立地（即不依賴(lài)計算機）找出結構工程問(wèn)題的正確解答，這種對計算機的依賴(lài)性將會(huì )帶來(lái)巨大的麻煩。隨著(zhù)對計算機的依賴(lài)程度的不斷上升，誰(shuí)來(lái)解決工程問(wèn)題？是那些沒(méi)有或只有很少的結構工程知識和實(shí)踐經(jīng)驗的程序員，或是有其他專(zhuān)業(yè)學(xué)位而不是結構工程學(xué)位的程序員來(lái)做？計算機現在不是，也永遠不會(huì )是解決工程問(wèn)題的源泉。只有合格的工程師才能正確地解決工程問(wèn)題。如果結構工程師們繼續制造這樣的氛圍，在結構工程實(shí)踐中，首先靠計算機，而不是靠有學(xué)識、有創(chuàng )新和有豐富經(jīng)驗的結構工程師本身，就能夠解決大部分結構工程問(wèn)題，那他們就是自欺欺人，也欺騙了他們的服務(wù)對象。
在今天的現實(shí)生活中，結構工程師發(fā)現了一種既非常有效又方便的方式去為顧客服務(wù)，它不需要花費大量的時(shí)間和金錢(qián)去學(xué)習或理解結構工程模型，分析和設計的細節。這種“方式”就是計算機。工程師們現在的行為方式符合宇宙的，即用最低的能量消耗前進(jìn)�，F在，越來(lái)越多的結構工程師對自動(dòng)化技術(shù)的響應就是讓計算機工作，同時(shí)讓自己不再去操心細節了。
工程具有復雜的理論細節，依靠計算機的工程不能，根本不能，讓人們學(xué)習有意義的經(jīng)驗�，F代計算機的運算范圍和速度，太容易使工程設計變得毫無(wú)生氣。試問(wèn)，有誰(shuí)能抵抗激動(dòng)和解脫的感覺(jué)——不用太多的艱辛就能求解成千上萬(wàn)個(gè)方程？又有誰(shuí)能抵抗誘惑——讓自動(dòng)化技術(shù)來(lái)“解決”工程問(wèn)題？真正的結構工程師，不用計算機就能工作的真正的結構工程師就有這樣的抵抗力。這些真正的工程師看到了實(shí)質(zhì)，計算機是一種很不完善的工具，它只能處理大量信息。以光速執行的指令大多是沒(méi)有經(jīng)驗的程序員編制的，它們的可靠性值得懷疑。在計算中，對于受動(dòng)力載荷的作用的曲殼結構發(fā)生非彈性變形時(shí)，不正確的結果一樣可以在屏幕顯示，它們的等應力圖看上去也是如此這般地賞心悅目。這樣下去，只要手上有計算機軟件的使用說(shuō)明，就可以用計算機得到結果了�；蛘吒奖�，只需在圖形用戶(hù)界面上選擇合適的菜單，就得到結果了。事實(shí)上，如果“靠相互交談來(lái)探討怎樣分析梁和柱，靠雙手找出閉合解”會(huì )更有利。
也許有人推測，以上論調只能證明本文作者從根本上是反計算機的，或是他沒(méi)有認識到現代信息技術(shù)美好的未來(lái)，或是他對那些在神奇的創(chuàng )意中利用這種技術(shù)的專(zhuān)家不屑一顧。然而，并不僅僅是這樣。即使認識到計算機的潛力，工程師也對危險熟視無(wú)睹。結構工程是對安全性吹毛求疵的職業(yè)。在世界各地，結構的特性是由結構工程設計的質(zhì)量決定的。由于在實(shí)踐中采用了計算機，越來(lái)越多的結構工程師正在制造以幻想為基礎的信仰系統，正在難以置信的危險期望。隨著(zhù)這一趨勢的延續，工程失效的威脅也會(huì )按指數形式增長(cháng)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是世界各地越來(lái)越多的工程公司都期盼CAE/CAD軟件能將結構工程設計程序完全自動(dòng)化�，F在，越來(lái)越多的結構工程師希望在解決問(wèn)題時(shí)他們只需區分類(lèi)型和條件，讓CAE/CAD程序自動(dòng)生成必要的數學(xué)模型，完成復雜而重復的分析和設計過(guò)程。最后，由制圖工具完成生產(chǎn)圖和施工圖。在這種環(huán)境中，結構工程師唯一的責任就是明確所要解決的問(wèn)題，然后評價(jià)最后的設計“結果”。這種設計方式注定是災難性的。數不清的軟件開(kāi)發(fā)商為滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，不斷開(kāi)發(fā)和推銷(xiāo)注明有各種用途的軟件。于是，不那么稱(chēng)職的工程師就相信了廣告，即使用這種軟件只要投入很少的人力就能進(jìn)行工程設計。
軟件開(kāi)發(fā)商經(jīng)常被要求改進(jìn)結構分析和設計軟件，以使用戶(hù)在不詳細了解技術(shù)細節的情況下就能夠使用軟件。例如，這些用戶(hù)要求開(kāi)發(fā)商創(chuàng )造出不用閱讀使用手冊的環(huán)境。因為高質(zhì)量的結構工程軟件的用戶(hù)手冊包括軟件的技術(shù)細節，限制范圍，以及計算所依據的理論和假設，結構工程師們不愿意使用這樣的高質(zhì)量軟件�，F實(shí)是，結構工程師們不希望了解細節。他們所希望又愿意購買(mǎi)的是窗口界面，這種界面能讓他們處理信息見(jiàn)得到，然后把結果以彩色圖表形式展示。最好還有動(dòng)畫(huà)功能，還可以用漂亮的圖表打印數值結果。而對于是否能可靠地檢測重特征值；或在用反映譜進(jìn)行分析時(shí)是否用了足夠的模態(tài)；或非線(xiàn)性索單元的理論是否正確；或分析結果對網(wǎng)格的形狀和單元的選擇是否敏感；或部分固定端剛度是否確切等等方面，如今使用計算機的工程師表示，他們幾乎不考慮這些細節問(wèn)題。
不少人認為他們沒(méi)有時(shí)間，或沒(méi)人付給他們費用去關(guān)心細節。越來(lái)越多的結構工程師都持這樣的看法。但是，他們確實(shí)相信，依靠機他們的設計能夠達到顧客要求。為什么不能如此簡(jiǎn)單地相信？？？/�。�！輸入數據，然后擊鍵，就有了結果。而且，這種方式幾乎沒(méi)有人力消耗。
當然，計算機技術(shù)本身并不壞。然而，的核心是結構工程計算中計算機的使用，以及濫用計算機不斷增加的趨勢。在道義上資深工程師和工程管理人員有義務(wù)特別強調工程實(shí)踐中知識，專(zhuān)業(yè)技能，以及經(jīng)驗的重要性，而非計算機使用者的“性別”。在結構工程實(shí)踐中，僅僅關(guān)心“怎樣”使用計算機是不夠的，了解“為什么”這樣設計才是關(guān)鍵。專(zhuān)業(yè)的結構工程師必須重視手工求解的原理，基本原則和提煉模型，識別計算結果中的錯誤，解決問(wèn)題的其他方法，判斷計算結果的有效性。對計算機要又敬又畏，對計算結果應持批評態(tài)度，尊重工程實(shí)踐經(jīng)驗，通過(guò)工程實(shí)踐（而不是通過(guò)“世界的有限元”，或是靠過(guò)分的簡(jiǎn)化去滿(mǎn)足那些不合格的結構工程軟件的限制條件）工程。強調從那些資深的或更有經(jīng)驗的結構工程師（即數量急劇減少，但仍記得不依賴(lài)計算機，怎樣解決工程問(wèn)題的真正的工程師）那里學(xué)習結構工程。只有通過(guò)訓練專(zhuān)業(yè)工程師，而不是通過(guò)訓練技術(shù)員（即計算機操作員），結構工程界將完全能擔負起服務(wù)大眾的責任和義務(wù)。
到底該不該如此擔心計算機的不當使用？擔心那種怠惰？擔心工程界默許這種危險作法？雖然計算機對人類(lèi)有很大的價(jià)值，但如果結構工程師們繼續象現在這樣破壞性地使用計算機，這些價(jià)值就得不到實(shí)現。
有什么辦法才能使結構工程界改變過(guò)分依賴(lài)計算機的情況？不再濫用計算機？這些都沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案。然而，所有稱(chēng)職的，經(jīng)驗豐富的資深工程師都有機會(huì )用危險的計算機這一思想去年輕人。一個(gè)真正的工程師所需要的是不依賴(lài)計算機解決工程問(wèn)題的能力。經(jīng)常懷疑計算機；在沒(méi)有深入的論證以前決不使用計算機的結果。在被工程師證實(shí)正確之前，假設計算機提供的結果是錯誤的。在用計算機求解之前，必須先“知道”答案。不崇拜計算機，而崇尚知識和經(jīng)驗；提倡全面了解工程和實(shí)踐中的所有細節；避免為那樣的雇主工作，他們僅有的學(xué)習機會(huì )是通過(guò)計算機學(xué)，而不是通過(guò)有實(shí)踐經(jīng)驗的真正工程師的深入訓練。
計算機不可能，而且永遠不可能，成為人類(lèi)知識，經(jīng)驗，遠見(jiàn)，靈感，創(chuàng )造力，獨立思維，以及自古以來(lái)的勤奮的替代品。雖然在結構工程實(shí)踐中計算機是非常有價(jià)值的工具，但是結構工程師必須認識到對工程學(xué)的細節（即原理，方法，標準，道德等等）的全面了解，比懂得怎樣在計算機屏幕上游逛不知道要重要多少。警告實(shí)際工程師，如果沒(méi)有計算機他們的結構工程知識不足以勝任工作，他們也沒(méi)有資格使用計算機（如若不然，那不僅是不道德，而是犯罪）。
所有稱(chēng)職的，經(jīng)驗豐富的工程師都意識到，好的計算機程序造就不出稱(chēng)職的結構工程師，而只有稱(chēng)職的工程師才能使用好的計算機程序�？杀氖�，雖然上面的結論似乎是不言而喻的，但它并不是今天計算機應用的現實(shí)。因此需要讓危險曝光，并實(shí)現和完善保護措施。
不幸的是，計算機的現實(shí)是，所有（即無(wú)一例外）商業(yè)應用的計算機和計算機軟件都受制于許多因素，這些因素在不同程度上影響了工程軟件作出結構工程問(wèn)題的正確解答的能力。更值得注意的是，當不正確的結果產(chǎn)生時(shí)，它們通常并沒(méi)有“錯”到立即被識別出來(lái)的地步。更進(jìn)一步，有時(shí)結果有重大錯誤，但如果工程師對“正確”的結果是什么直覺(jué)也沒(méi)有（無(wú)論是因為無(wú)知，還是缺乏經(jīng)驗），也就不可能意識到結果的錯誤。計算機的危險在于，很多工程師假設（并且幾乎所有的工程師確實(shí)希望）計算機總是產(chǎn)生“正確”的結果。這樣的假設和希望常常會(huì )使工程師對潛在的和經(jīng)常的錯誤放松警惕性和敏感性！
雖然對軟件的質(zhì)量和可靠性存在著(zhù)嚴重的憂(yōu)慮，但你會(huì )吃驚地發(fā)現很多結構工程師對這些憂(yōu)慮表現得多么天真、無(wú)知或不負責任。這些天真、無(wú)知或不負責任在許多結構工程師購買(mǎi)和使用軟件時(shí)表現得最突出。例如，選擇結構工程軟件的最基本標準包括：軟件廣告出現的頻率；肆意宣揚超凡技術(shù)能力的大幅精美廣告；低售價(jià)；用引人注目的可視性窗口菜單和生動(dòng)的界面形式來(lái)衡量的易用性；用結構系統自動(dòng)建模的簡(jiǎn)單性來(lái)衡量的易用性；只需很少或根本不用學(xué)習；簡(jiǎn)單的使用說(shuō)明和手冊（一兩本使用說(shuō)明就夠了，而9本10本使用說(shuō)明簡(jiǎn)直是糟糕透頂�。�；五彩繽紛的包裝。而下面的標準卻鮮見(jiàn)。例如，軟件開(kāi)發(fā)者和其技術(shù)支持者的技術(shù)資質(zhì)證明；軟件質(zhì)量的保證；軟件開(kāi)發(fā)商的質(zhì)量保證（QA），質(zhì)量控制（QC）QA/QC過(guò)程的嚴格評價(jià)；軟件中所用技術(shù)的理論依據的嚴格評價(jià)；簡(jiǎn)單和復雜例題測試結果的嚴格評價(jià)及其與其他獨立求解結果的比較；通過(guò)專(zhuān)職技術(shù)核查員和經(jīng)驗豐富的結構工程師的一系列獨立和規范性核查制訂工程軟件國際標準，并按一個(gè)或多個(gè)工程軟件國際標準定期地對軟件進(jìn)行校核。
在軟件的實(shí)際應用方面，那些只有極少經(jīng)驗，極少學(xué)識，最年輕的結構工程師被賦予依靠計算機軟件來(lái)解決極度復雜的結構分析和設計問(wèn)題的主要責任。而那些經(jīng)驗豐富的資深工程師正忙于經(jīng)營(yíng)和管理自己的公司。經(jīng)�？梢钥吹�，缺乏經(jīng)驗的年輕工程師在使用計算機時(shí)對所用的結構力學(xué)基本原理和設計規范的背景知識了解甚少。這些工程師最困難的地方在于判斷程序的算法所蘊含的假設和步驟；接下來(lái)判斷計算機運算結果的質(zhì)量和其他方方面面。他們的困難還在于懷疑計算機作出的所有結果，以及用獨立的例題校驗結果。由于受到挫折或一知半解，缺乏經(jīng)驗的的工程師寧愿相信計算機程序產(chǎn)生的任何結果都是正確的。我們令人難堪地觀(guān)察到，結構工程師多么頻繁多么容易，有意識或下意識地把自己的無(wú)知藏進(jìn)計算機的黑匣子里。
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