Structural Engineering: A Very Short Introduction（结构工程简介）

引用

Blockley, D. (2014). Structural Engineering: A Very Short Introduction. Oxford University Press.

章节概要

本书属于牛津大学出版社的"Very Short Introductions"丛书。用Tianjian Ji在 The Structural Engineer（2015年12月）上发表的书评中的话说，它试图在约110页的篇幅里呈现结构工程。全书共六章。Ji指出，Blockley用"思想实验"和图示来解释技术要点，并在前五章每章末尾归纳三四个要点。

第1章：万物皆有结构

从结构的本质和作用谈起，讨论结构工程与其他工程分支以及与建筑学的关系。设计决策由结构的目的，即"适用性"驱动。要使结构坚固安全，必须理解力如何在结构中流动，同时还要满足造价、外观、法规和环境等其他要求。本章认为，最好的结构把建筑与工程融为一体，力的流动合乎逻辑。

第2章：形式追随功能吗？

讨论维特鲁威对好建筑提出的三项要求中的两项：实用和美观。其核心的物理思想是结构"天生懒惰"，会稳定在势能最小的状态；当结构中相邻部分相互阻碍对方的运动时，就产生了内力，结构必须沿这些力的路径足够坚固。本章最后以找形结构作为工程与建筑融合的例子。

第3章：从巨石阵到摩天大楼

一部结构的历史，从巨石阵和埃及金字塔，经过文艺复兴和18世纪，一直到今天。它追溯了石匠大师的兴起，以及随着新科学、新材料和新需求带来专业分工，建筑师和工程师的角色如何逐渐分离，并强调两种职业仍然必须合作。

第4章：理解结构

技术性最强的一章：结构如何让力流经各个构件，以抵抗自重、使用者和风荷载。本章区分了仅靠平衡即可求出内力的静定结构，与还需要本构关系和位移协调条件、并在总势能最小处求解的超静定结构。Ji指出，书中的理论从自由体图和平衡一直讲到虚功和有限元法。

第5章：运动者与摇撼者

比较四种大型结构：大型喷气客机、邮轮、大跨度桥梁和高层建筑，把它们看作起梁作用的巨大管或箱。运动的结构引入了动力平衡，惯性力和阻尼力成为附加的内力，并出现屈曲、共振和颤振等失稳形式。

第6章：韧性

追问多安全才算足够安全。结构关乎安全，但没有任何活动是毫无风险的；对未来的评估涉及系统和人两方面的不确定性，因此科学知识是必要的，但并不充分。本章提出把系统思维作为"硬"系统与"软"系统的共同语言。Ji指出，这一章主要基于作者本人对韧性的理解，并用一艘载有船员和乘客的船来说明硬系统与软系统。

核心概念

第1–2章：万物皆有结构；形式追随功能吗？

• 适用性：结构的目的决定其设计决策的原则。
• 力流：荷载穿过结构传到支座的路径。
• 最小势能：结构会稳定在使其势能最小的状态，Blockley称之为"天生懒惰"。
• 找形：使结构的形式顺应力的流动。

第3–4章：从巨石阵到摩天大楼；理解结构

• 建筑师与工程师：历史上分离、但仍须合作的两种角色。
• 静定与超静定结构：内力能否仅由平衡求出。
• 平衡、本构关系与协调：求解超静定结构所用的三个条件。

第5–6章：运动者与摇撼者；韧性

• 动力平衡：运动结构中包括惯性力和阻尼力在内的力的平衡。
• 动力失稳：屈曲、共振和颤振。
• 风险与韧性：在不确定条件下判断多安全才算足够。
• 硬系统与软系统：物理系统与人或组织系统，通过系统思维联系起来。

评析

优点

• 讲思想而不是公式。 作为结构动力学讲师的Ji称赞Blockley借助配图的思想实验来解释难以用实物演示的理论，并说他会把这一方法引入自己的教学。
• 对学科的宽广视野。 在六个短章中，本书涵盖设计理念、历史、理论、主要结构类型，以及建筑师与工程师的关系。Ji认为它为数量不多的面向普通读者的工程书增添了一部作品，表示欢迎。
• 把运动物体也当作结构。 第5章把飞机和船舶与桥梁和高层建筑放在一起讨论，表明同样的梁式行为和动力效应适用于所有这些结构。
• 风险与系统。 第6章把结构安全从计算延伸到不确定性、人为因素和系统思维，并以Ji所引用的论断作结：好的结构工程可以把成本节约几个数量级，并保护生命。

局限

• 难度不均。 Ji认为，虚功和有限元法的建立等内容对许多普通读者来说可能有些吃力。
• 对韧性的个人化处理。 据Ji所述，最后一章主要基于作者本人对这一主题的理解，因此它是一种论证，而不是综述。
• 篇幅很短。 约110页无法展开计算方法；本书解释的是工程师如何思考，而不是如何分析一个结构。

在课程中的定位

本书可与材料力学教材并读，起到导览作用。Hibbeler以及Beer、Johnston、DeWolf与Mazurek各自的 Mechanics of Materials 讲授构件中应力、应变和挠度的分析；Blockley则说明这些构件在整体结构中处于什么位置，以及它们的安全为何重要。本课程中另一本非技术性读物J. E. Gordon的 The New Science of Strong Materials 着眼于材料内部的裂纹、韧性和位错，而Blockley着眼于整体结构、历史和风险；作为预备读物，两者可以很好地互补。

Ugural与Fenster的 Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity 以及Sadd的 Elasticity 是之后的数学性课程。Blockley第4章对平衡、协调、本构关系和最小势能的阐述，为这些书所形式化的思想提供了定性的预览。

如何使用本书

本书适合工科和建筑学的一年级学生、想了解结构工程师工作内容的潜在报考者，以及普通读者。几乎不需要数学基础，不过第4章会很快进入虚功和有限元等概念。

实用的阅读计划：

• 用一两次读完第1–3章。 这几章阐述目的、力流和历史。
• 工科学生的核心： 第4章。慢慢读，并在力学课程讲过平衡和超静定结构之后再回头读一遍；届时定性阐述与课程中的计算之间的联系会更清楚。
• 第5章是通向以后动力学和振动课程的良好桥梁。
• 第6章适合讨论，可用于关于风险、职业责任或工程伦理的研讨课。

把前五章末尾的要点当作检查清单，并认真做一做书中的思想实验，而不是一读而过。方法方面可接着读材料力学教材，若想更全面地以非技术方式了解材料与结构，可读Gordon的书。