哲学思维在结构设计原理课程教学中的体现

郑辉 易翔 唐西娅 梁斌 刘方成

摘  要：哲学思维是我们认识世界的方式，哲学思维在结构设计原理课程教学中多有体现。土木工程材料的强度与韧性的对立与统一、土木工程不同材料之间的协调与统一、工程结构中的受力与美学、土木工程中的概念设计等内容处处涵盖着哲学思维。

关键词：哲学思维;结构设计原理;课程教学;材料对立与统一;概念设计

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：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

著名哲学家马克思说过“哲学家们只是用不同的方式解释世界，而问题在于改造世界”[1]。面对问题，我们必须先认识它，才能改造它。只有先认识混凝土结构设计原理课程的教学过程的哲学思维，才能用哲学思维实现对该课程教学实践的改造。

一、土木工程与哲学的关系

“一切学问的本原都应当從哲学里取得”[2]。刘猷桓教授曾说：“我们的时代使命是应用马克思主义的观点和方法去反思现代科学技术发展提出的一系列新问题，进而推进马克思主义科学技术哲学向前发展”[3]。同样的我们要将哲学的思维运用于土木工程之中，善于用哲学思维解决实际问题，指导实践。

在土木工程的预算工程中，预算是总体工程开支、税收等的计算，不仅要考虑建筑材料运输距离和获取的难易程度，且要考虑材料的价格。既要考虑工程的整体，也要考虑工程的各个部分;在土木工程的设计中，既要考虑结构的受力，也要考虑结构的形式是否美观。既要考虑地形结构的限制，也要考虑建筑与环境是否协调。世界万物是普遍联系的，相互作用、相互影响。

二、力学与哲学的关系

结构设计原理是土木工程专业的核心课程之一，讲述各结构设计的受力分析，包括各结构的拉、压、弯、剪以及组合情况下的受力分析，结构变形与裂缝的计算等[4]。该课程中公式多、概念多、系数多、条件多等[5]。

在现实生活中，结构的受力是比较复杂的，在进行受力分析时会重点分析可能导致结构破坏的力，而简化或者忽略一些影响较小的力，这是运用哲学中的两点论与重点论的思维;在力学中很多公式有系数，这些系数都是人为简化后的数值，其中又考虑很多种因素影响，体现了人的主观能动性与客观规律性的辩证统一。

三、具体实践

（一）土木工程材料的发展历程

从石器时代开始，人们便开始慢慢使用一些现有的材料作为工具，例如用锋利的石头作为捕获猎物的工具。为了躲避风雨，早期的人们使用大自然中现有的土、石、草、木以及动物毛皮等材料来做一些简单的建筑作为自己的住所。人们挖山洞为自己遮蔽风雨以及储存部分食物，例如黄土窑洞建筑。也有用石头、泥土以及木材等材料修建简单的房屋，例如河姆渡干栏式建筑[6]。但是这些建筑比较脆弱，很容易受到自然的毁坏。

进入阶级社会，经过劳动的改造，人们的智商慢慢提高，为了更加坚固房屋，人们慢慢开始用泥土和草混合，有了比较成熟的夯土技术，开始制造土坯房屋以及大自然中的一些树木做材料，还有在大自然中的陨铁发现，加速了人们使用材料的进步，例如商超的殷墟。这时的建筑坚固很多，但是遇大雨或者发大水容易使得房屋毁坏。从西周开始，各国帝王为了抵御外敌入侵，历经多个朝代，建成了举世闻名的万里长城主要材料为泥土和石头[7]。隋唐时修建的安济桥，主要由泥土、石头组成，历经1300多年不坏，现存于今。

自春秋战国以来，城市越来越大，高台建筑也越来越多，人们有了比较成熟的木结构房屋以及烧制土砖技术，木结构由于材料的限制，无法修建高层建筑，但是木材却是很好的家具以及装修材料。鲁班对木结构的发展做出了很大的贡献，堪称我国土木工程行业的祖师爷，其中榫卯结构影响深远，即使在当代社会中，榫卯结构还常运用于家具之中。如今中国佛宫寺木塔以及故宫是世界木结构的代表作[8]。

18世纪中叶[9]，由英国亚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，快速被很多国家所接受，并且不断发展，混凝土材料属于粘结性材料，抗压性能优越，但是抗拉性能较差，后期在混凝土中加入了钢筋，使得混凝土的性能得到了很大的提升。后来发展到高性能混凝土、活性粉末混凝土以及超高性能混凝土。现今大多数建筑物都是由混凝土材料组成的，中国三峡大坝是如今最大的水利枢纽工程。

18世纪末，金属结构开始使用于房屋结构中，钢材抗拉以及抗压性能都比较优异，但是钢材不耐腐蚀且不耐火，后期的维护费用也较高。经过人们的慢慢摸索，钢结构桥梁、钢结构房屋、钢结构铁塔等慢慢出现。其中比较著名的工程结构有中国鸟巢、法国埃菲尔铁塔等。

（二）强度和韧性的对立和统一

在苏达根主编的《土木工程材料》中，抵抗断裂或者塑性变形的能力就是材料的强度。即某材料承受外界荷载，材料的内部会产生内力，当外力增加时，内力也会随之增加。当外力值达到某一值时，材料发生破坏，那么此时的极限应力值就是材料的强度。

断裂或者永久变形时所吸收能量的能力就是材料的强度。材料在受到外力冲击或者震动时，材料吸收能量后将会产生变形。但是当冲击力达到一定值时，材料发生破坏，这时材料吸收的能量就是材料的韧性。

钢材进行冷加工强化时产生的塑性变形，是由于金属内部结构发生了位错运动。位错是材料的原子行列间发生相互滑移形成的缺陷。若材料的位错运动很难实现，则材料的塑性变形就会很困难。即材料抵抗变形的能力很强，因此材料强度得到提高，但是材料韧性将会降低;钢筋进行热处理时，将内应力比较大的材料进行加热后再冷却处理，可以消除材料内部的内应力，从而使得材料的韧性和塑性得到增强，但是材料强度会降低。

其实现实当中，材料的强度和韧性是成反比的，这是很多人无法理解的，在日常生活中，大家会认为这两个名词代表同一事物。当材料强度的增大，必然对导致材料韧性的下降;材料的韧性增大，也会导致材料的强度降低（如图1）[10]。从哲学的角度来说，强度与韧性是相互对立的。

哲学让我们学会要一分为二的看待问题，强度与韧性是相互对立的，但同时强度与韧性也是统一的。在某单一材料中，强度与韧性是相对的;但是在合金或者复合材料中，强度与韧性又是统一的。

材料韧性不好是由于局部产生细微裂缝，若此时加入某种材料，使得这种材料如同连接键，将开裂的位置连接好，这样就可以增强材料的韧性，同时不会对原来材料的强度产生不利的影响，甚至可能增强材料的强度。在现实生活中有很多例子，如钢筋混凝土、人造复合陶瓷等。混凝土材料抗压强度较好，但是韧性不行，当混凝土中加入钢筋材料后，钢筋混凝土的强度和韧性都有增强;陶瓷在我们生活中，强度和韧性都不高，但是在加入纤维材料之后，人造复合陶瓷的强度和韧性都会得到提升。所以说强度与韧性也是统一的。

（三）不同材料的协调和对立

材料是现实当中构成物质或物体的基础，我们生活当中的各种物体可以满足我们不同的需求，比如陶瓷杯子非常好看且实用，但是非常容易破碎，为了保护杯子，我们便可以在里面加入另外一种增强韧性的材料，使得陶瓷杯子坚固一些。在当今的社会中，最容易见到的物体莫过于钢筋混凝土建筑，生活在城市中，我们基本被钢筋混凝土所包围，但是钢筋和混凝土两种不同的材料为什么可以一起受力呢？

不同材料的性能各不相同，混凝土材料抗压性能比较好，但是不抗拉;钢筋抗拉和抗压性能都比较好，但是当钢筋长度稍微大一些后，容易出现失稳。为了弥补两种材料之间的不足，当两种材料以某种形式结合之后，钢筋增强了混凝土的抗拉性，混凝土增强了钢筋的防失稳能力。钢筋与混凝土的结合，充分发挥了它们各自的优点和特性，结合成整体，共同承受外界的荷载，这是材料与材料之间的协调作用所导致的[11]。在哲学中，任何事物都具有两面性，不同的材料之间有协调的作用，那么也一定有对立的材料。

材料之间的协调是指两者之间相互促进、共同提升性能的作用;材料之间的对立是指两者之间相互破坏、降低性能的作用。在现实的钢筋混凝土结构中，许多桥梁或者建筑物没有达到使用年限，但由于钢筋被锈蚀之后，使得结构的承载力降低，达不到承载力要求，从而使得结构必须进行加固或者推倒重修，这个对于社会来说，会造成极大的浪费。混凝土层可以保护钢筋不被氯离子材料锈蚀，但一旦混凝土产生裂缝或者出现空隙，且外界中的氯离子浓度达到一定的限值，氯离子就是顺着裂缝或空隙与钢筋发生反应，使钢筋被锈蚀，钢筋发生膨胀破坏，从而使得钢筋混凝土膨胀，使得结构的强度降低，甚至导致结构破坏，这是我们必须阻止的。这就是材料之间的对立，是我们在使用钢筋时必须注意的地方[12]。

由于不同材料之间的协调与对立，我们要具体情况具体分析，使得各材料之间的反应朝着对我们有利的方向前进，也可以使各种材料发挥最大的作用。

（四）力与美

著名的结构工程大师奥维·阿勒普（Ave Arup）说：“工程师看到的是结构，建筑师看到的是造型，其实，两者皆是。”任何建筑工程都是受力与美学的結合，从哲学的角度来说，任何将两者割裂的看法都是片面的，只有将两者合二为一，才能创造出完美的佳作[13]。

工程结构给我们的第一印象是视觉上的冲击，这种冲击不只是工程结构本身，还与工程结构周围的环境有关，悉尼海港大桥与悉尼歌剧院的组合，该桥为单孔拱桥，犹如一道彩虹横跨海湾两岸，气势磅礴，与此同时，该桥与悉尼歌剧院互相呼应，美不胜收[14]。当然美并不一定要独树一帜，对于工程来说，我们应该首先满足内在美，再去考虑外在美，同时还要考虑经济效益。比如北京的CCTV总部大楼，将总部水平楼层悬挑70余米，造型奇特，创意十分出色，该创意也将载入史册，但是建造时付出的代价也是巨大的，而且2009年元宵佳节因放烟花给这座奇异的建筑带来了不少的损失;世界上最奇特的建筑之一——悉尼歌剧院，在大家眼里它是非常优美的，它的美在于屋顶奇异的结构，该结构违背建筑中的逻辑关系，使得建筑时间长达14年之久，该建筑的造价也高于预算十多倍[13]。

在我国古代，由于建筑材料的限制，人们利用石块的受压性能，采用起拱的方式使得桥梁主要承受压力，我国赵州桥便是石拱桥的典范。拱桥作为三种基本桥型之一，是一种极具表现力的桥梁形式，拱肋是拱桥展现其魅力的重要构造，如我国南京大胜关大桥如同卧式长弓，蓄势待发，直冲云霄;斜拉桥与悬索桥中，桥塔与桥索为主要受力部分，桥塔高耸入云，桥索对称分布，极具动态美[15];只有将受力和美学相结合，这才是工程结构应有之意。

（五）概念设计的哲学思考

概念设计首先分析用户需求，根据用户的需求设计出概念产品的一系列有序、有组织、有目标的过程，由粗到细、由抽象到具体的不断反复进化的过程。概念设计的过程是曲折的，方向是前进的，是曲折性与前进性的统一[16]。

概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法。概念设计是将脑海中的构思转化成现实，是将设计者的感性思维和瞬间思维升华为理性的现实过程。对任何事物的认识，都是从感性慢慢上升到理性，这是人们认识的一次飞跃。再从理性转化为实践，这是人们认识的第二次飞跃。如果割裂了两者的关系，就会走向教条主义或者经验主义，就无法认识到事物的本质，从而无法达到我们想达成的目标。

概念的设想是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式[17]。

在中国的历史文化长河中流传的许多故事，有向往美好生活的，也有希望一生平平安安的。人们生活中有许多谐音，有人认为将断了的钥匙挂在自家孩子身上，代表“断药”，从此自己孩子健健康康成长。根据这个概念以及人们心中的需求，可以衍生设计出多种产品，包括装饰品、健康产品等[18]。

一件产品，从设计到问世，从问世到投入市场，这一过程体现了很多哲学原理。例如上面这个例子当中，由“概念的设想是创造性思维的一种体现”，这证明意识对物质具有作用，正确的意识推进事物的发展，错误的意识阻碍事物的发展，要重视意识的作用，树立正确的思想意识;从“断钥”到“断药”体现了世界上的一切事物都处在普遍的联系当中，世界是一个统一的整体，万事万物处于联系当中，要求我们坚持用联系的观点观察和分析问题，这样我们才能从“断钥”联想到“断药”;由“断药”联想到各类产品，体现了外因和内因的关系，每个人设计的方案却各有区别，这个告诉我们事物的发展是内因和外因共同起作用，内因是事物变化发展的根据，外因是事物变化发展的条件，分析和解决问题时，坚持内外因相结合的观点;由各类产品的不同点，体现了矛盾的特殊性，不同事物的矛盾具有不同的特点，同一事物的不同阶段有不同的矛盾，这就要求我们想问题、办事情必须坚持具体问题具体分析。

当然，产品的类型各式各样，产品将人的思维物化，设计是一种感性行为。在这种思维创造性行为活动中，产品概念的构思是丰富的，人的创作智慧是无穷的。

四、结论

在混凝土结构设计原理的教学过程中，应通过哲学思维中的批判性思维增强自身的批判性意识和精神，将哲学思维渗透于学习过程中，更好地把握事物之间的联系，逐步提高自己的理解能力。在我们研究和解决问题时会不自觉地运用哲学中的世界观和方法论，哲学思维对各个研究领域都具有推动作用。

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