谈近代力学思想在土木工程应用中存在的困境

赵 正

(湖北工程学院土木工程学院,湖北 孝感 432100)

近代力学的系统化起自牛顿于1687年创作的《自然哲学的数学原理》，而力学作为诸学科的基础，在科学的各个门类都产生了深刻的影响。甚而一度产生一种观念，但凡理论的最终模式与牛顿力学的表达形式存在相似性，则表示这种理论是正确的，麦克斯韦的电磁学的研究中这种倾向是明显的[1]。

力，作为衡量物质之间能够引起相对运动状态改变的物理量。而土木工程的核心问题即在于工程系统的受力稳定性和工程系统本身力的传导机制的自洽性。所以力学与土木工程之间存在着本然的联系。虽则如是，然则近代以来力学在土木工程领域的应用实践中依然存在着诸多问题。

本文将着重探讨力学在土木工程应用中存在的三个困境：

1)尺度的多样性及多尺度下力学客体差异性的困境；2)工程系统的整体性和系统破坏的局部性所造成的力学客体选择困境；3)工程状态的发展和近代动力学的速度层次差异所带来的困境。

1 困境的描述

1.1 尺度的多样性及多尺度下力学客体的差异性困境

尺度，一般而言依据探测研究的手段及其可见性的方式可分为：宏观尺度、细观尺度、微观尺度。

土木工程作为一种实践性极强的学科，其材料构成可谓种类繁多。从黏土、粉土到粗粒土、砾石、块石，再到土石混合体、混凝土。其材料的尺度是存在极大差异的。这种差异不仅表现在材料颗粒可见性的差异，且表现在力学影响机制的差异。以混凝土而言，其可见性尺度为宏观，而影响其受力性能的内部裂隙尺度可以发展到细观；以黏土为例，其颗粒可见性尺度为细观，而对其工程属性影响显著的矿物成分属性可以深入到微观。即便对于同一种材料而言，其工程属性尚且受到多个尺度下性状的影响，对于实际工程实践中所采用的的混合材料，其工程属性的研究尺度则更不殚繁复了。

而在不同的尺度下，土木工程材料的力学机制是存在差异的。在宏观角度而言，普遍可以认为是各向同性，但细观尺度下则表现为各向异性，微观尺度下则更多的表现出随机性。

这种由于尺度的多样性所导致的力学研究的无序性切实存在，在目前已然成为土木工程学科深入发展的一大障碍。

1.2 工程系统的整体性和系统破坏的局部性所造成的力学客体选择困境

工程系统的整体性和局部性，这一点是略有些艰深。

换言之，在土木工程设计及研究中，工作目标往往是从工程系统的整体性入手。因为工程系统的整体性是其功能实现的基础，而只有能够发挥功能的工程才是有价值的。但，颇具嘲讽意味的是，土木工程系统的功能的实现障碍，或者说是功能的灭亡，往往不是从整体开始，而是发生在局部的。

不论从高校的工程设计课本或《规范》而言，其对于设计的指导所一贯的思路都是“先满足整体，后协调局部”。这种设计思想指导下，最终导致我们的设计人员所设计的局部，其实只是从系统整体功能实现模型中理论抽象出来的一个计算分项而已。

这种困境的本质是思想的困境，而不仅是方法的困境。

1.3 工程状态的发展和近代动力学的速度层次差异所带来的困境

该条困境是最显著的。工程状态的发展往往需要数年乃至数十年，而在相同的状态下采用近代动力学模型往往是不适用的。因为工程状态放在数年乃至数十年的时间跨度中，是一个动力学问题，而放在一周乃至一秒的时间跨度中，则是一个静力学问题。而这个差异的来源，是工程状态动力发展的低速性。对这一问题协调的一种尝试是流变学。但将流变学应用于土木工程的低速运动问题则是可笑的，在流变学中无论蠕变还是松弛，最终都将实现平衡。而土木工程系统的最终宿命必然是破坏，此论点应绝无疑义，一切人类的构筑物除却极少数用途不明的特例之外，无一存留至今。工程状态发展运动的研究的困境，根本上讲是近代力学的局限性所致。

2 对困境的思考

2.1 土木工程学科研究对象的有效性问题

在第1.1节中的尺度困境。笔者认为，可以用研究对象的有效性来解释。

何种研究对象是有效的，我们追本溯源，应首先发掘当今的土木工程学科研究对象的历史根据。西方近代学术潮流源于古代希腊，古代希腊的学术，一言以蔽之，形而上学。形而上学，简而言之，是从“客体”中提取其“本质”，进而升华为理论模型。从自然科学上讲，德谟克利特的“原子论”、欧几里得的“几何”，乃至牛顿、爱因斯坦的物理理论莫不如此；从社会科学上讲，柏拉图的“理想国”、亚当斯密的《国富论》，乃至达尔文的《物种起源》亦莫不如此。形而上学，必须从一个“客体”实在中，提炼升华出一个模型。用之于土木工程，则黏土、粉土、粗粒土、砾石、块石等即谓之“客体”，而摩擦角、内聚力、弹性模量、变形能等即谓之“本质”。

如果以这种研究方式深入下去，伴随人类认知范围的增长，则研究对象将无限增长。南宋陆九渊谓朱子之学“支离”，而所谓的多尺度问题，也是形而上学研究方式所导致的的“支离”之一种。以近代土木工程或近代科学数百年的发展来看，这种“支离”已令人不能把握，何况千年乎？万年乎？永恒乎。因而笔者认为，以这种研究方式所选取的研究对象其实是“无效”的。

那么有效的研究对象是什么，如果说上述研究对象是无效的，实则是因为这种研究缺乏一个统率其中的纲领。试将形而上学与中国古代哲学对比展开。

《尚书》曰：“水曰润下、火曰炎上、木曰曲直、金曰从革、土爰稼穑”。这是中国古代“五行论”的出处。可知，五行是事物的物种变化方式(行，就是发展轨迹)。水，物质融合；火，物质分离；木，物质量变；金，物质消灭；土，物质转化(化生)。由此或可形成一种理论：任何客体的发展不外乎上述五种方式。而这五种方式，即是纲领。以纲统目，则“客体”均能入我彀中(将“五行论”与“原子论”对比，可显著发现两者差异)。

故而，笔者认为有效的研究对象，不是“客体”本身，而是“客体”的运化方式。即便以近代科学而言，其能够获得较大成就者，如上述所举，亦不外乎对于客体运化方式的研究。以这种角度看，“多尺度问题”，啻为学术思想的一种倒退(且不论以观察手段差异所人为区分的尺度界限本身即存在一定问题)。

以上述“有效研究对象”而言，土木工程的研究对象，则应当是土木工程系统的运化方式，何为土木工程系统的运化方式，则恕笔者不敢妄言。

2.2 土木工程理念的思想困境问题

在1.2中笔者认为“先满足整体，后协调局部”是一种思想困境。这种问题通过与古代建筑的对比可以明显的觉察到。赵州桥的拱券并列组合设计思想，即典型的“先局部，后整体”理念。

对于土木工程系统而言，局部与整体绝不是隶属关系，而应当是并存关系。当采用并存理念进行规划设计时，方始能够将局部破坏对整体功能的影响降至最低，甚而无影响。

2.3 工程状态运动模式问题

在1.3节中所揭示的困境，对于土木工程系统的可靠性评价及灾害预防是有很大意义的。受限于近代力学思想，目前对于土木工程灾害预防的主要有效手段实际上只有实时监测一种而已。

土木工程状态是运动的。衡量这种运动模式的途径，只有对低速运动力学进行创建。以往的物理史观认为牛顿力学是低速运动状态力学模式，这种观念必须得到纠正。

笔者对于低速运动力学的创建，有以下几条设想：

1)低速运动是相对的。在量子力学中，物质内部的电子无时不在高速运动。在有温度存在条件下，物质内部分子亦呈现无序的高速热运动。而低速运动可能是基于对物质内部粒子运动边界条件的一种概率说明。

2)低速运动就当前的认知局限而言，也是存在“尺度”的。而运动作为一种物质发展的衡量方式，其对于“尺度”间的贯通具有独特的优势。因而低速运动模型的理论创造，实际上能够对土木工程学科涉及的“多尺度问题”形成最终解释。

3 结论

本文通过对力学思想在土木工程应用中的困境的分析和思考，主要得到以下结论：1)土木工程学科的发展，取决于对其研究对象的进一步考量。传统的研究对象，从较长的时间尺度上讲，是无效的。2)工程设计思想，应当突破固有的“先整体，后局部”惯性。整体与局部应当是并存关系。3)土木工程学科的精确化，必然涉及到低速运动力学模型的构建。