Structural Engineering: A Very Short Introduction（結構工程簡介）

引用

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

章節概要

本書屬於牛津大學出版社的「Very Short Introductions」叢書。借用Tianjian Ji在 The Structural Engineer（2015年12月）發表的書評中的說法，它試圖以約110頁的篇幅呈現結構工程。全書共六章。Ji指出，Blockley以「思想實驗」與圖示說明技術要點，並在前五章每章末尾整理三、四個重點。

第1章：萬物皆有結構

從結構的本質與作用談起，討論結構工程與其他工程領域以及與建築的關係。設計決策由結構的目的，也就是「合乎用途」所驅動。要讓結構堅固安全，必須了解力如何在結構中流動，同時還要滿足造價、外觀、法規與環境等其他需求。本章主張，最好的結構讓建築與工程合而為一，力的流動合乎邏輯。

第2章：形隨機能嗎？

討論維特魯威對好建築提出的三項要求中的兩項：實用與美觀。核心的物理概念是結構「天生懶惰」，會穩定在位能最小的狀態；當結構中相鄰部分彼此妨礙對方的運動時，就產生內力，結構必須沿著這些力的路徑具有足夠強度。本章最後以找形結構作為工程與建築融合的例子。

第3章：從巨石陣到摩天大樓

一部結構的歷史，從巨石陣與埃及金字塔，經過文藝復興與18世紀，一直到今天。它追溯石匠大師的興起，以及隨著新科學、新材料與新需求帶來專業分工，建築師與工程師的角色如何逐漸分離，並強調兩種專業仍然必須合作。

第4章：理解結構

技術性最強的一章：結構如何讓力流經各個構件，以抵抗自重、使用者與風力。本章區分只靠平衡就能求得內力的靜定結構，與還需要組成關係與變位諧和條件、並在總位能最小處求解的靜不定結構。Ji指出，書中的理論從自由體圖與平衡一路談到虛功與有限元素法。

第5章：移動者與搖撼者

比較四種大型結構：大型噴射客機、郵輪、長跨徑橋梁與高樓，把它們看作發揮梁作用的巨大管狀或箱形結構。運動中的結構引入動態平衡，慣性力與阻尼力成為額外的內力，並出現挫屈、共振與顫振等不穩定形式。

第6章：韌性

追問要多安全才算夠安全。結構攸關安全，但沒有任何活動毫無風險；對未來的評估涉及系統與人兩方面的不確定性，因此科學知識是必要的，卻不充分。本章提出以系統思考作為「硬」系統與「軟」系統的共同語言。Ji指出，這一章主要依據作者本人對韌性的理解，並用一艘載有船員與乘客的船來說明硬系統與軟系統。

核心概念

第1–2章：萬物皆有結構；形隨機能嗎？

• 合乎用途：結構的目的決定其設計決策的原則。
• 力流：載重穿過結構傳到支承的路徑。
• 最小位能：結構會穩定在使其位能最小的狀態，Blockley稱之為「天生懶惰」。
• 找形：讓結構的形式順應力的流動。

第3–4章：從巨石陣到摩天大樓；理解結構

• 建築師與工程師：歷史上分離、但仍須合作的兩種角色。
• 靜定與靜不定結構：內力能否只由平衡求得。
• 平衡、組成關係與諧和：求解靜不定結構所用的三項條件。

第5–6章：移動者與搖撼者；韌性

• 動態平衡：運動結構中包含慣性力與阻尼力的力平衡。
• 動態不穩定：挫屈、共振與顫振。
• 風險與韌性：在不確定的情況下判斷要多安全才算足夠。
• 硬系統與軟系統：物理系統與人或組織系統，透過系統思考連結起來。

評析

優點

• 談觀念而不是公式。 身為結構動力學講師的Ji，稱讚Blockley藉助附圖的思想實驗來說明難以用實物示範的理論，並表示他會把這個方法帶進自己的教學。
• 對學科的寬廣視野。 在六個短章中，本書涵蓋設計理念、歷史、理論、主要結構類型，以及建築師與工程師的關係。Ji認為它為數量不多、以一般讀者為對象的工程書增添了一部作品，表示歡迎。
• 把移動物體也當作結構。 第5章把飛機與船舶和橋梁、高樓放在一起討論，說明同樣的梁式行為與動態效應適用於所有這些結構。
• 風險與系統。 第6章把結構安全從計算延伸到不確定性、人為因素與系統思考，並以Ji所引用的論點作結：好的結構工程可以讓成本節省好幾個數量級，並保護生命。

局限

• 難度不一。 Ji認為，虛功與有限元素法的建立等內容，對許多一般讀者來說可能有點吃力。
• 對韌性的個人化處理。 據Ji所述，最後一章主要依據作者本人對這個主題的理解，因此它是一種論證，而不是綜述。
• 篇幅很短。 約110頁無法發展計算方法；本書說明的是工程師如何思考，而不是如何分析一個結構。

在課程中的定位

本書可與材料力學教科書並讀，發揮導覽的作用。Hibbeler以及Beer、Johnston、DeWolf與Mazurek各自的 Mechanics of Materials 講授構件中應力、應變與撓度的分析；Blockley則說明這些構件在整體結構中位於何處，以及它們的安全為何重要。本課程中另一本非技術性讀物J. E. Gordon的 The New Science of Strong Materials 著眼於材料內部的裂縫、韌性與差排，而Blockley著眼於整體結構、歷史與風險；作為預備讀物，兩者可以很好地互補。

Ugural與Fenster的 Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity 以及Sadd的 Elasticity 是之後的數學性課程。Blockley第4章對平衡、諧和、組成關係與最小位能的闡述，為這些書所形式化的觀念提供了定性的預覽。

如何使用本書

本書適合工程與建築學系的一年級學生、想了解結構工程師工作內容的準考生，以及一般讀者。幾乎不需要數學基礎，不過第4章會很快進入虛功與有限元素等概念。

實用的閱讀計畫：

• 用一、兩次讀完第1–3章。 這幾章闡述目的、力流與歷史。
• 工科學生的核心： 第4章。慢慢讀，並在力學課程講過平衡與靜不定結構之後再回頭讀一遍；屆時定性說明與課程中計算之間的關聯會更清楚。
• 第5章是通往日後動力學與振動課程的良好橋梁。
• 第6章適合討論，可用於風險、專業責任或工程倫理的研討課。

把前五章末尾的重點當作檢查清單，並認真想一想書中的思想實驗，而不是一讀而過。方法方面可接著讀材料力學教科書，若想更完整地以非技術方式了解材料與結構，可讀Gordon的書。