哲學(xué)思維在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的體現(xiàn)

鄭輝 易翔 唐西婭 梁斌 劉方成

摘? 要：哲學(xué)思維是我們認(rèn)識世界的方式，哲學(xué)思維在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中多有體現(xiàn)。土木工程材料的強(qiáng)度與韌性的對立與統(tǒng)一、土木工程不同材料之間的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一、工程結(jié)構(gòu)中的受力與美學(xué)、土木工程中的概念設(shè)計等內(nèi)容處處涵蓋著哲學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：哲學(xué)思維;結(jié)構(gòu)設(shè)計原理;課程教學(xué);材料對立與統(tǒng)一;概念設(shè)計

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

著名哲學(xué)家馬克思說過“哲學(xué)家們只是用不同的方式解釋世界，而問題在于改造世界”[1]。面對問題，我們必須先認(rèn)識它，才能改造它。只有先認(rèn)識混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)過程的哲學(xué)思維，才能用哲學(xué)思維實(shí)現(xiàn)對該課程教學(xué)實(shí)踐的改造。

一、土木工程與哲學(xué)的關(guān)系

“一切學(xué)問的本原都應(yīng)當(dāng)從哲學(xué)里取得”[2]。劉猷桓教授曾說：“我們的時代使命是應(yīng)用馬克思主義的觀點(diǎn)和方法去反思現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展提出的一系列新問題，進(jìn)而推進(jìn)馬克思主義科學(xué)技術(shù)哲學(xué)向前發(fā)展”[3]。同樣的我們要將哲學(xué)的思維運(yùn)用于土木工程之中，善于用哲學(xué)思維解決實(shí)際問題，指導(dǎo)實(shí)踐。

在土木工程的預(yù)算工程中，預(yù)算是總體工程開支、稅收等的計算，不僅要考慮建筑材料運(yùn)輸距離和獲取的難易程度，且要考慮材料的價格。既要考慮工程的整體，也要考慮工程的各個部分;在土木工程的設(shè)計中，既要考慮結(jié)構(gòu)的受力，也要考慮結(jié)構(gòu)的形式是否美觀。既要考慮地形結(jié)構(gòu)的限制，也要考慮建筑與環(huán)境是否協(xié)調(diào)。世界萬物是普遍聯(lián)系的，相互作用、相互影響。

二、力學(xué)與哲學(xué)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是土木工程專業(yè)的核心課程之一，講述各結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力分析，包括各結(jié)構(gòu)的拉、壓、彎、剪以及組合情況下的受力分析，結(jié)構(gòu)變形與裂縫的計算等[4]。該課程中公式多、概念多、系數(shù)多、條件多等[5]。

在現(xiàn)實(shí)生活中，結(jié)構(gòu)的受力是比較復(fù)雜的，在進(jìn)行受力分析時會重點(diǎn)分析可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的力，而簡化或者忽略一些影響較小的力，這是運(yùn)用哲學(xué)中的兩點(diǎn)論與重點(diǎn)論的思維;在力學(xué)中很多公式有系數(shù)，這些系數(shù)都是人為簡化后的數(shù)值，其中又考慮很多種因素影響，體現(xiàn)了人的主觀能動性與客觀規(guī)律性的辯證統(tǒng)一。

三、具體實(shí)踐

（一）土木工程材料的發(fā)展歷程

從石器時代開始，人們便開始慢慢使用一些現(xiàn)有的材料作為工具，例如用鋒利的石頭作為捕獲獵物的工具。為了躲避風(fēng)雨，早期的人們使用大自然中現(xiàn)有的土、石、草、木以及動物毛皮等材料來做一些簡單的建筑作為自己的住所。人們挖山洞為自己遮蔽風(fēng)雨以及儲存部分食物，例如黃土窯洞建筑。也有用石頭、泥土以及木材等材料修建簡單的房屋，例如河姆渡干欄式建筑[6]。但是這些建筑比較脆弱，很容易受到自然的毀壞。

進(jìn)入階級社會，經(jīng)過勞動的改造，人們的智商慢慢提高，為了更加堅固房屋，人們慢慢開始用泥土和草混合，有了比較成熟的夯土技術(shù)，開始制造土坯房屋以及大自然中的一些樹木做材料，還有在大自然中的隕鐵發(fā)現(xiàn)，加速了人們使用材料的進(jìn)步，例如商超的殷墟。這時的建筑堅固很多，但是遇大雨或者發(fā)大水容易使得房屋毀壞。從西周開始，各國帝王為了抵御外敵入侵，歷經(jīng)多個朝代，建成了舉世聞名的萬里長城主要材料為泥土和石頭[7]。隋唐時修建的安濟(jì)橋，主要由泥土、石頭組成，歷經(jīng)1300多年不壞，現(xiàn)存于今。

自春秋戰(zhàn)國以來，城市越來越大，高臺建筑也越來越多，人們有了比較成熟的木結(jié)構(gòu)房屋以及燒制土磚技術(shù)，木結(jié)構(gòu)由于材料的限制，無法修建高層建筑，但是木材卻是很好的家具以及裝修材料。魯班對木結(jié)構(gòu)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，堪稱我國土木工程行業(yè)的祖師爺，其中榫卯結(jié)構(gòu)影響深遠(yuǎn)，即使在當(dāng)代社會中，榫卯結(jié)構(gòu)還常運(yùn)用于家具之中。如今中國佛宮寺木塔以及故宮是世界木結(jié)構(gòu)的代表作[8]。

18世紀(jì)中葉[9]，由英國亞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，快速被很多國家所接受，并且不斷發(fā)展，混凝土材料屬于粘結(jié)性材料，抗壓性能優(yōu)越，但是抗拉性能較差，后期在混凝土中加入了鋼筋，使得混凝土的性能得到了很大的提升。后來發(fā)展到高性能混凝土、活性粉末混凝土以及超高性能混凝土。現(xiàn)今大多數(shù)建筑物都是由混凝土材料組成的，中國三峽大壩是如今最大的水利樞紐工程。

18世紀(jì)末，金屬結(jié)構(gòu)開始使用于房屋結(jié)構(gòu)中，鋼材抗拉以及抗壓性能都比較優(yōu)異，但是鋼材不耐腐蝕且不耐火，后期的維護(hù)費(fèi)用也較高。經(jīng)過人們的慢慢摸索，鋼結(jié)構(gòu)橋梁、鋼結(jié)構(gòu)房屋、鋼結(jié)構(gòu)鐵塔等慢慢出現(xiàn)。其中比較著名的工程結(jié)構(gòu)有中國鳥巢、法國埃菲爾鐵塔等。

（二）強(qiáng)度和韌性的對立和統(tǒng)一

在蘇達(dá)根主編的《土木工程材料》中，抵抗斷裂或者塑性變形的能力就是材料的強(qiáng)度。即某材料承受外界荷載，材料的內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)力，當(dāng)外力增加時，內(nèi)力也會隨之增加。當(dāng)外力值達(dá)到某一值時，材料發(fā)生破壞，那么此時的極限應(yīng)力值就是材料的強(qiáng)度。

斷裂或者永久變形時所吸收能量的能力就是材料的強(qiáng)度。材料在受到外力沖擊或者震動時，材料吸收能量后將會產(chǎn)生變形。但是當(dāng)沖擊力達(dá)到一定值時，材料發(fā)生破壞，這時材料吸收的能量就是材料的韌性。

鋼材進(jìn)行冷加工強(qiáng)化時產(chǎn)生的塑性變形，是由于金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了位錯運(yùn)動。位錯是材料的原子行列間發(fā)生相互滑移形成的缺陷。若材料的位錯運(yùn)動很難實(shí)現(xiàn)，則材料的塑性變形就會很困難。即材料抵抗變形的能力很強(qiáng)，因此材料強(qiáng)度得到提高，但是材料韌性將會降低;鋼筋進(jìn)行熱處理時，將內(nèi)應(yīng)力比較大的材料進(jìn)行加熱后再冷卻處理，可以消除材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，從而使得材料的韌性和塑性得到增強(qiáng)，但是材料強(qiáng)度會降低。

其實(shí)現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，材料的強(qiáng)度和韌性是成反比的，這是很多人無法理解的，在日常生活中，大家會認(rèn)為這兩個名詞代表同一事物。當(dāng)材料強(qiáng)度的增大，必然對導(dǎo)致材料韌性的下降;材料的韌性增大，也會導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低（如圖1）[10]。從哲學(xué)的角度來說，強(qiáng)度與韌性是相互對立的。

哲學(xué)讓我們學(xué)會要一分為二的看待問題，強(qiáng)度與韌性是相互對立的，但同時強(qiáng)度與韌性也是統(tǒng)一的。在某單一材料中，強(qiáng)度與韌性是相對的;但是在合金或者復(fù)合材料中，強(qiáng)度與韌性又是統(tǒng)一的。

材料韌性不好是由于局部產(chǎn)生細(xì)微裂縫，若此時加入某種材料，使得這種材料如同連接鍵，將開裂的位置連接好，這樣就可以增強(qiáng)材料的韌性，同時不會對原來材料的強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，甚至可能增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。在現(xiàn)實(shí)生活中有很多例子，如鋼筋混凝土、人造復(fù)合陶瓷等?；炷敛牧峡箟簭?qiáng)度較好，但是韌性不行，當(dāng)混凝土中加入鋼筋材料后，鋼筋混凝土的強(qiáng)度和韌性都有增強(qiáng);陶瓷在我們生活中，強(qiáng)度和韌性都不高，但是在加入纖維材料之后，人造復(fù)合陶瓷的強(qiáng)度和韌性都會得到提升。所以說強(qiáng)度與韌性也是統(tǒng)一的。

（三）不同材料的協(xié)調(diào)和對立

材料是現(xiàn)實(shí)當(dāng)中構(gòu)成物質(zhì)或物體的基礎(chǔ)，我們生活當(dāng)中的各種物體可以滿足我們不同的需求，比如陶瓷杯子非常好看且實(shí)用，但是非常容易破碎，為了保護(hù)杯子，我們便可以在里面加入另外一種增強(qiáng)韌性的材料，使得陶瓷杯子堅固一些。在當(dāng)今的社會中，最容易見到的物體莫過于鋼筋混凝土建筑，生活在城市中，我們基本被鋼筋混凝土所包圍，但是鋼筋和混凝土兩種不同的材料為什么可以一起受力呢？

不同材料的性能各不相同，混凝土材料抗壓性能比較好，但是不抗拉;鋼筋抗拉和抗壓性能都比較好，但是當(dāng)鋼筋長度稍微大一些后，容易出現(xiàn)失穩(wěn)。為了彌補(bǔ)兩種材料之間的不足，當(dāng)兩種材料以某種形式結(jié)合之后，鋼筋增強(qiáng)了混凝土的抗拉性，混凝土增強(qiáng)了鋼筋的防失穩(wěn)能力。鋼筋與混凝土的結(jié)合，充分發(fā)揮了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和特性，結(jié)合成整體，共同承受外界的荷載，這是材料與材料之間的協(xié)調(diào)作用所導(dǎo)致的[11]。在哲學(xué)中，任何事物都具有兩面性，不同的材料之間有協(xié)調(diào)的作用，那么也一定有對立的材料。

材料之間的協(xié)調(diào)是指兩者之間相互促進(jìn)、共同提升性能的作用;材料之間的對立是指兩者之間相互破壞、降低性能的作用。在現(xiàn)實(shí)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，許多橋梁或者建筑物沒有達(dá)到使用年限，但由于鋼筋被銹蝕之后，使得結(jié)構(gòu)的承載力降低，達(dá)不到承載力要求，從而使得結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行加固或者推倒重修，這個對于社會來說，會造成極大的浪費(fèi)。混凝土層可以保護(hù)鋼筋不被氯離子材料銹蝕，但一旦混凝土產(chǎn)生裂縫或者出現(xiàn)空隙，且外界中的氯離子濃度達(dá)到一定的限值，氯離子就是順著裂縫或空隙與鋼筋發(fā)生反應(yīng)，使鋼筋被銹蝕，鋼筋發(fā)生膨脹破壞，從而使得鋼筋混凝土膨脹，使得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，這是我們必須阻止的。這就是材料之間的對立，是我們在使用鋼筋時必須注意的地方[12]。

由于不同材料之間的協(xié)調(diào)與對立，我們要具體情況具體分析，使得各材料之間的反應(yīng)朝著對我們有利的方向前進(jìn)，也可以使各種材料發(fā)揮最大的作用。

（四）力與美

著名的結(jié)構(gòu)工程大師奧維·阿勒普（Ave Arup）說：“工程師看到的是結(jié)構(gòu)，建筑師看到的是造型，其實(shí)，兩者皆是?！比魏谓ㄖこ潭际鞘芰εc美學(xué)的結(jié)合，從哲學(xué)的角度來說，任何將兩者割裂的看法都是片面的，只有將兩者合二為一，才能創(chuàng)造出完美的佳作[13]。

工程結(jié)構(gòu)給我們的第一印象是視覺上的沖擊，這種沖擊不只是工程結(jié)構(gòu)本身，還與工程結(jié)構(gòu)周圍的環(huán)境有關(guān)，悉尼海港大橋與悉尼歌劇院的組合，該橋?yàn)閱慰坠皹?，猶如一道彩虹橫跨海灣兩岸，氣勢磅礴，與此同時，該橋與悉尼歌劇院互相呼應(yīng)，美不勝收[14]。當(dāng)然美并不一定要獨(dú)樹一幟，對于工程來說，我們應(yīng)該首先滿足內(nèi)在美，再去考慮外在美，同時還要考慮經(jīng)濟(jì)效益。比如北京的CCTV總部大樓，將總部水平樓層懸挑70余米，造型奇特，創(chuàng)意十分出色，該創(chuàng)意也將載入史冊，但是建造時付出的代價也是巨大的，而且2009年元宵佳節(jié)因放煙花給這座奇異的建筑帶來了不少的損失;世界上最奇特的建筑之一——悉尼歌劇院，在大家眼里它是非常優(yōu)美的，它的美在于屋頂奇異的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)違背建筑中的邏輯關(guān)系，使得建筑時間長達(dá)14年之久，該建筑的造價也高于預(yù)算十多倍[13]。

在我國古代，由于建筑材料的限制，人們利用石塊的受壓性能，采用起拱的方式使得橋梁主要承受壓力，我國趙州橋便是石拱橋的典范。拱橋作為三種基本橋型之一，是一種極具表現(xiàn)力的橋梁形式，拱肋是拱橋展現(xiàn)其魅力的重要構(gòu)造，如我國南京大勝關(guān)大橋如同臥式長弓，蓄勢待發(fā)，直沖云霄;斜拉橋與懸索橋中，橋塔與橋索為主要受力部分，橋塔高聳入云，橋索對稱分布，極具動態(tài)美[15];只有將受力和美學(xué)相結(jié)合，這才是工程結(jié)構(gòu)應(yīng)有之意。

（五）概念設(shè)計的哲學(xué)思考

概念設(shè)計首先分析用戶需求，根據(jù)用戶的需求設(shè)計出概念產(chǎn)品的一系列有序、有組織、有目標(biāo)的過程，由粗到細(xì)、由抽象到具體的不斷反復(fù)進(jìn)化的過程。概念設(shè)計的過程是曲折的，方向是前進(jìn)的，是曲折性與前進(jìn)性的統(tǒng)一[16]。

概念設(shè)計即是利用設(shè)計概念并以其為主線貫穿全部設(shè)計過程的設(shè)計方法。概念設(shè)計是將腦海中的構(gòu)思轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)，是將設(shè)計者的感性思維和瞬間思維升華為理性的現(xiàn)實(shí)過程。對任何事物的認(rèn)識，都是從感性慢慢上升到理性，這是人們認(rèn)識的一次飛躍。再從理性轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，這是人們認(rèn)識的第二次飛躍。如果割裂了兩者的關(guān)系，就會走向教條主義或者經(jīng)驗(yàn)主義，就無法認(rèn)識到事物的本質(zhì)，從而無法達(dá)到我們想達(dá)成的目標(biāo)。

概念的設(shè)想是創(chuàng)造性思維的一種體現(xiàn)，概念產(chǎn)品是一種理想化的物質(zhì)形式[17]。

在中國的歷史文化長河中流傳的許多故事，有向往美好生活的，也有希望一生平平安安的。人們生活中有許多諧音，有人認(rèn)為將斷了的鑰匙掛在自家孩子身上，代表“斷藥”，從此自己孩子健健康康成長。根據(jù)這個概念以及人們心中的需求，可以衍生設(shè)計出多種產(chǎn)品，包括裝飾品、健康產(chǎn)品等[18]。

一件產(chǎn)品，從設(shè)計到問世，從問世到投入市場，這一過程體現(xiàn)了很多哲學(xué)原理。例如上面這個例子當(dāng)中，由“概念的設(shè)想是創(chuàng)造性思維的一種體現(xiàn)”，這證明意識對物質(zhì)具有作用，正確的意識推進(jìn)事物的發(fā)展，錯誤的意識阻礙事物的發(fā)展，要重視意識的作用，樹立正確的思想意識;從“斷鑰”到“斷藥”體現(xiàn)了世界上的一切事物都處在普遍的聯(lián)系當(dāng)中，世界是一個統(tǒng)一的整體，萬事萬物處于聯(lián)系當(dāng)中，要求我們堅持用聯(lián)系的觀點(diǎn)觀察和分析問題，這樣我們才能從“斷鑰”聯(lián)想到“斷藥”;由“斷藥”聯(lián)想到各類產(chǎn)品，體現(xiàn)了外因和內(nèi)因的關(guān)系，每個人設(shè)計的方案卻各有區(qū)別，這個告訴我們事物的發(fā)展是內(nèi)因和外因共同起作用，內(nèi)因是事物變化發(fā)展的根據(jù)，外因是事物變化發(fā)展的條件，分析和解決問題時，堅持內(nèi)外因相結(jié)合的觀點(diǎn);由各類產(chǎn)品的不同點(diǎn)，體現(xiàn)了矛盾的特殊性，不同事物的矛盾具有不同的特點(diǎn)，同一事物的不同階段有不同的矛盾，這就要求我們想問題、辦事情必須堅持具體問題具體分析。

當(dāng)然，產(chǎn)品的類型各式各樣，產(chǎn)品將人的思維物化，設(shè)計是一種感性行為。在這種思維創(chuàng)造性行為活動中，產(chǎn)品概念的構(gòu)思是豐富的，人的創(chuàng)作智慧是無窮的。

四、結(jié)論

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)過程中，應(yīng)通過哲學(xué)思維中的批判性思維增強(qiáng)自身的批判性意識和精神，將哲學(xué)思維滲透于學(xué)習(xí)過程中，更好地把握事物之間的聯(lián)系，逐步提高自己的理解能力。在我們研究和解決問題時會不自覺地運(yùn)用哲學(xué)中的世界觀和方法論，哲學(xué)思維對各個研究領(lǐng)域都具有推動作用。

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