自我诊断丨你是否具备工程师应有的判断力?

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来源:岩土沿途Geotech 如有侵权请联系删除 We do not know how we make a decision. ——————————————————H.Golder 直至今日,我们也没有完全弄清楚,人类是如何对一件事作出判断的。 它似乎是一个感性与理性交叉,混沌的处理过程。 然而,在工作及生活中,我们却需要无时无刻作出判断。否则,任何事也没法找到方向,找到准则以推行下去。在工程领域,我们的判断主要用于给设计方案定一个是否可行,是否合理的结论。

来源:岩土沿途Geotech

如有侵权请联系删除

We do not know how we make a decision.

——————————————————H.Golder


直至今日,我们也没有完全弄清楚,人类是如何对一件事作出判断的。

它似乎是一个感性与理性交叉,混沌的处理过程。

然而,在工作及生活中,我们却需要无时无刻作出判断。否则,任何事也没法找到方向,找到准则以推行下去。在工程领域,我们的判断主要用于给设计方案定一个是否可行,是否合理的结论。

那我们应该怎么做,才能作出一个好的判断,成为一个拥有高超判断力的工程师?

是完全遵循规范,以确保方案的每一点都符合规范的准则和条文?

还是遵循我们的工程经验,从模糊的印象中获取相近案例的参数?

我们或许可以从下面的文章中获得一些启示。

注:文章整理自Ralph B. Peck于1969年在西弗吉尼亚大学Davis Lecture上发表的演说“Publication No.115. Second R. P. Davis Lecture on the Practice of Eng., W. Va. Univ. Bull. Series 70, No. 5-2, Nov. 1969,10pp.”


工程判断


成功的工程实践需要高超的工程判断力。几乎所有的业内人士会同意这种说法。但是每个人对“判断”这个词都有不同的理解。对于工科学生来说,它是解决工程问题所必需的一个能力,但只有在以后的职业生涯中,通过从同事和项目中吸收经验,他才能获得这个能力;对科学家来说,它可能仅是一个可怜的替代品,被水平有限的执业工程师用来代替复杂精巧的理论分析公式;对于施工方来说,它常常是“猜测”和“赌博”的代名词,在他们看来,作出判断似乎不需要收集确凿的事实和进行理性思考。

这些都是误解。

其实工程判断是存在的,它对于工程实践的成功是必不可少的。我也不确定应该如何定义它,但我想我能对于工程判断的本质特征以及如何培养这种能力提供一些意见。


分寸感


很抱歉,我只能从我自己的土木工程领域中举例说明。对于在其他专业领域的工程师而言,我相信,除去专业相关知识,类似的场景也会对你们的理解有帮助。

多年来,我一直是伊利诺伊州结构工程师审查委员会的成员。伊利诺伊州恰好对结构工程师注册有独立的考试规定,区别于其他专业工程师的注册条例。申请人必须修满认可的土木工程课程且顺利毕业,并在注册结构工程师的指导下,从事结构工程工作满六年,才有资格参加笔试。考试分四节,每节四小时。第一节考试的科目是“工程通识”。让我和你们分享一些我问过的问题和考生的答案。

在一场考试中,我要求考生给出大型工程构造物的大概尺寸。例如,悬索桥的最大主跨度是多少?我相信你们都知道,金门大桥的跨度4200英尺,在大约30年的时间里,它是跨度最长的大桥,直到最近,才被横跨纽约港的维拉萨诺大桥以仅仅60英尺超过。我的本意只希望听到一个近似的答案,答案只要在3500英尺到1英里之间都算是过关。然而,在21名回答这个问题的考生中,只有3人的回答在这个范围内。其他人的回答有250英尺,385英尺,1000英尺,8200英尺等等。

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金门大桥

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维拉萨诺大桥


考生在估计最高的摩天大楼的高度方面做得更好。在回答这个问题的32名考生中,有27人的回答与帝国大厦1250英尺的高度相差无几。然而,还是有一个人大胆地说出了356英尺。9个人当中只有2个人知道世界上最高的混凝土大坝的高度。当时的世界纪录是922英尺。

有些人的回答为是400英尺和600英尺,也算是比较适当的答案。

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帝国大厦

奥罗维尔大坝,1968年建成


考生只是在辨认著名的工程师方面稍微好一些。没有一个人知道当时美国土木工程师协会主席的名字。另一方面,我很高兴地宣布,所有参加这部分考试的35个人都认识Hardy Cross。Cross教授因其对工程设计和分析的贡献而闻名。

其他一些没那么著名的工程师就没那么走运了,他们会发现自己在考生口中变成了一些其他领域的专家。

D.B.Steinman以桥梁设计,尤其是悬索桥而闻名,却被指认为帝国大厦的建造者;

Ferdinand De Lesseps是苏伊士运河的推动者和建设者,也是巴拿马运河的开创者。然而在考场中,他被誉为混凝土结构的先驱,同时他也兼任结构防火及薄壳结构的专家,法国一座失败的薄拱坝的设计师,土力学的早期研究者,以及桥梁铸铁应用的先驱;

据报道,钢筋混凝土的天才之一Eugene Freyssinet设计了魁北克大桥(Quebec Bridge),这是世界上最长的悬臂跨度,一座因两次施工失败而闻名的钢桥。

考生们也没有很好地辨认出著名构筑物。例如,魁北克大桥被描述为最长的吊桥、第一座吊桥和第一个高拱跨桥。伊兹桥(Eads Bridge)在很多方面都有亮点,包括内战后不久合金钢的应用,但只有十分之三的考生认出它。无可否认,伊兹桥是一个古老的构筑物,可能拥有一段古老的历史,尽管它仍然运作良好。相比之下,行政家园酒店(Executive House)在当时是美国最高的混凝土框架结构。虽然它位于芝加哥,但20名考生中只有10人认识这个名字。有人甚至自告奋勇地说,“行政大楼是民主政体的象征,代表着国家的意志。”

伊兹桥

60年代的Executive House

我为什么要给你们读这些答案,或者说,为什么我对这些答案忧心忡忡?对我来说,这些考生给出的答案展现了他们非常狭窄的知识面,尽管这些问题仅局限于结构工程的框架内,尽管他们都是专业内的人士。这些考生都是大学毕业生,而不是新手;他们必须具备一定的结构工程经验,才有资格参加考试。更严重的是,答案显示出他们对事物大小缺乏感觉,缺乏分寸感。然而,分寸感是工程判断的重要内容之一。没有它,工程师就不能对计算结果进行合理的判断。物理意义上的数量,构筑物的大小,对他来说可能没有真正的意义。

我的学生有时会很令人不安,至少在课程开始时是这样。当我问他们一个看起来简单得可笑的问题,比如“柱子的荷载有多大?”之后,我看到学生们计算一个三层楼的基础荷载为600万磅(约2700吨)。我认为他们应该有足够的分寸感,足够的事物大小意识,来立即否决这些荒唐的结果。

分寸感包括对事物适合性的感觉,其范围比我们所谈到的例子要广泛得多。它可以帮助工程师避免往错误的方向解决问题。我举两个例子。

在一个农业为主的小镇上,一所两层楼高的初中刚刚建成,所有的外墙和走廊上的隔墙就开始出现了难看的裂缝。裂缝在建筑的两端约一英寸(25mm)宽,而在中心附近却几乎看不出来。校董会即将批出一份昂贵的合同,根据项目工程师的要求,校舍将进行基础托换,作为施工前的最后检查,托换方案需要专家进行审查。

房屋墙体出现的裂缝

审查从对校舍的损害情况检测开始。裂缝呈现出一致的形态,而且只在第二层出现。如果是由地基缺陷引起的,则是无法解释为什么一层没有裂缝。从另一个角度来看,裂缝很可能是钢筋混凝土屋面板的热胀冷缩引起的。随着屋面板受热膨胀,它会产生把建筑两端的墙壁往外推的力。侧墙由分隔大窗户的窄砖壁柱组成;当屋面板来回胀缩时,柱子很容易变形和开裂。在建筑中心附近,温度变化很小,所以几乎没有裂缝。

许多工程师和建筑师想当然地认为裂缝总是由地基缺陷引起的。这种误解可能导致对严重问题的本质作出错误判断,并导致作出花费巨大的补救措施,而这些措施对缺陷的修复没有任何的作用。不管学校的基础设计得多么完美,施工得多么完美,这些钱全部都将被浪费掉,因为工程师解决了错误的问题。

第二个例子可能稍复杂一些,因为它涉及到专业经验中产生的专业知识。一个政府机构设计了一座铁路桥梁的基础,这座桥横跨一条航运河,这条河经常有大型货船来回穿梭。这座桥设计为垂直升降式桥梁,在这种结构中,跨越航道的桥梁主跨可以通过两端的电缆来提升,以便货轮通航。钢塔的两端各有一个滑轮,上面有钢索穿过。塔的两端都有导向器,就像高楼里的乘客电梯一样。事实上,垂直升降桥本质上就是一部电梯。

垂直升降桥

在拟建铁路桥的场地,两端的钢塔高得异乎寻常,跨度也很长。因此,基础设计人员关心的是塔和导轨应该尽可能保持垂直。他们的结论是,两座塔的地基沉降差不应超过0.75英寸(20mm)。

这一要求造成了严重的地基问题,因为地基土是由深厚的塑性粘土组成的,强度和刚度适中,要深度达到250英尺以上(76m)才会遇到基岩。

如果在塑性粘土中采用摩擦桩基础,其设计和施工费用会比较合理,能够安全支撑结构的重量,但沉降差估计会达到1英寸以上(25mm)。在研究了不同深度、不同桩数、不同桩型、不同上部结构荷载分布等多种方案后,但均不能保证摩擦桩的方案满足沉降准则。

此时,嵌岩桩似乎变成了唯一可以接受的解决方案,但其深度超过了当时的任何先例,而且时间和资金上的成本都将危及整个项目的经济可行性。可以预见的是,铁路局不会愿意批准任何不能保证大桥顺利运营的方案实施。

在一次关于此问题的讨论会上,桥梁上部结构的设计师也被请来征求意见,尽管各方都认为这些难题理应是由基础工程师来解决。这位设计师在他漫长而杰出的职业生涯中,花了大量时间设计、修复和监督垂直升降桥的施工。他很快意识到,沉降准则是基于基础工程师认为可以容忍的导轨倾斜程度制定的。他指出,对于导板和跨度两端的相对运动,至少应留出三英寸(75mm)的余量。在另外的一些情况下,提供的余量要大得多,但不是因为地基沉降,而是其他原因。经验表明,要在大约三英寸的水平偏移允许量下竖立一座高塔是很困难的。当太阳从塔的南侧由东向西移动,并依次将不同的构件暴露在太阳的照射下时,塔的顶部,甚至在架设过程中,都会或多或少以圆形的轨迹出现偏差。由于这些偏差几乎无法阻止,因此必须通过在关键节点预留足够的余量来减少这些偏移带来的影响。这些余量必须是足够的,如果有必要,甚至可以增加,以应付预期可能发展的地基沉降。

基础设计人员又一次在解决错误的问题。他们把所有注意力都集中在减少沉降的方法,并发现自己正在考虑越来越复杂和昂贵的地基。然而,问题在于标准。这些标准是不切实际和不必要的。它们强迫设计师去解决不相干的问题。

不合理和不现实的标准产生于缺乏工程判断力,以及缺乏对事物重要性的认识。不幸的是,这样的标准并不少见。许多结构工程师大大低估了上部结构所能承受的差异沉降量。微波通信和雷达跟踪系统的设计者给地基沉降制定的标准远远小于实际或经济上可能实现的标准,实际上这是不必要的限制。他们对电子系统中不合理的标准有理性的认识,但对基础却没有这种判断。不过这也不奇怪,通信工程师对自己专业的工程判断是健全的,但还不够宽广,不足以进入一个陌生的领域。

一个好的工程师,从最细微的技术细节到最广泛的规划概念,都能判断他的解决方案是否合适。他的判断告诉他每一步是否正确,整个计划是否正确。既然判断对工程师来说是如此重要,我们需要知道它的基础是什么。至少有两个广泛的基础,我们可以大致分为经验基础和理论基础。


经验基础

曾几何时,所有的工程判断都是经验性的。在把科学运用到工程之前,在施工前一般都会对设计进行先期测试。哥特式大教堂的建造者对应力分析一无所知,直至今天,我们也未能完全理解其应力分布。有相当多的证据表明,在建造时他们组成了一个国际知名的专家小组,与当地的设计师和建造者进行了磋商。还有很多证据表明,他们的许多设计都是基于模型试验的结果得出的。直到最近,建筑师和结构工程师才通过精细的分析认识到,哥特大教堂的一些构件位于某些看起来不寻常的位置,其实是以便构件充分发挥其材料性能。现代研究者发现自己被大教堂建造者的非凡洞察力所吸引。他们的成就确实是辉煌的,而且完全是基于我们现在所说的判断。

当然,他们并不总是成功的。他们的一些做法失败了。几乎所有大教堂的耳堂和中殿的交叉区域都需要进一步加固。博韦大教堂(Beauvais)那巨大的拱形屋顶本应是哥特式建筑中最伟大的成就,但却灾难性地倒塌了,后来在较低的高度下才得以完成。可见,仅凭经验判断不能从以往的实践中作出如此重大的工程决定

塔科马海峡大桥(Takoma Narrows Bridge)基于经验判断的风力设计也是类似情况。塔科马海峡大桥的跨度比其他长吊桥要窄得多。它在一场暴风雨中轰然倒塌,这是桥梁工程史上令人不快但却颇有启迪的一章。设计人员没有认识到狭窄的车道在大跨度结构空气动力学的重要影响,也没有认识到同样大跨度的宽车道桥梁的成功经验是无关紧要的。依赖经验先例作为推断肯定是危险的,因为先例之间的重大差异可能得不到理解。

然而,如果一个工程师没有意识到,在他的项目进行的时间和地点内,什么工具和设备是可用的,它们各自起了什么作用,那么他就不能成功地进行设计。他需要对已经完成的工作有详细的了解,以便他能够知道他所建议的方案是属于有充分先例的常规做法,还是在某些方面有独特之处的非常规做法。如果他认识到他的方案是在先例的范围内,他就可以对照他的工程师同行和他们的前辈积累的经验,判断他所有计算和假设的结果。


理论基础

理论和科学分析方法在工程中的作用是毋庸置疑的。我们正处于一场革命之中,在这场革命中,几年前根本不可能解决的最复杂的问题,现在都由计算机以最快的速度、最容易的方法加以处理。电脑不仅极大地加速了我们的思维,它们还改变了我们的思维模式。从计算机中获得的回报似乎是无限的。

差不多是这样,但不完全是。朗肯对工程理论地位的评价经常被引用,在这个电子时代,它的适用性并不亚于一个世纪前:

“在理论科学中,核心问题是:我们该怎么思考?——当一个疑点出现时,哲学思辨有责任不去争论出现相互矛盾的假设的可能性,因为要解决这个疑点,要么缺乏实验数据,要么数学方法不够先进。此时,应努力促进实验探究和数学的发展,耐心地等待时机,等到这些发展足以解决问题的时候。

但在实践科学中,核心问题是:我们该怎么办?——我们遇到的都是必须立即给出解决方案的问题。在存疑的情况下,我们不能让我们的设备和我们的做法等待科学的进步;如果现有的数据不足以给出这个问题的确切答案。必须在可获得的最佳数据显示为最可能的情况下,对该近似解采取行动。在这类情况中,迅速而正确的判断正是一个工程大师的特征之一。”

理论和计算不是判断的替代品,而是更合理判断的基础。将已知的经验观察和事实纳入一个理论框架,使我们能够更有信心地推断新的情况,而不仅仅是凭经验主义来证明。

理论还允许我们研究极限条件,在这种条件下,我们可以经常检验理论研究所依据的假设的合理性。

理论,特别是在电子计算机的帮助下,使我们能够进行称之为参数化的计算。在这种计算中,我们可以研究影响设计的每个因素的变化对最终设计的影响。这类研究往往表明,对某些因素的知识准确性并不重要,如果该因素的变化较大,却对最终结果的影响较小。然后,我们的注意力可以集中在真正重要的变量上。

在所有这些方面,我们今天的工具和设备要比我们的先哲好得多,他们的全部工作基础仅为实践经验。我们现时寻求发展的工程判断既有理论渊源,也有实践渊源。


判断力的培养

现在让我直接和你们当中那些工科学生谈谈,他们很快就会在实践中需要实打实的工程判断。你如何培养它?我想要非常实际,脚踏实地谈论一下,尽管可能听起来有点老土。

首先,充分利用你在学校里的机会。你不太可能有比现在更好的机会,全身心地投入到你所选择的学科及其相关学科的系统研究中去。我们已经讨论了理论基础的重要性。你需要尽可能地在理论上变得精通。

其次,慎重选择你的第一份工作,要了解它能提供什么样的发展和经验。在你职业生涯的头几年里,尝试去接触专业领域内不同类型的工作。

我知道这个建议与你的许多想法背道而驰。你对安全感有兴趣,你很可能会倾向于参加那些容易拿到offer的面试。你可能会关心薪水,福利,公司的晋升机会,甚至是退休制度。我可以告诉你,这样子是无法建立起安全感的。真正的安全感,来源于你作为工程师的能力,而这反过来又取决于你的工程判断力。因此,你真正的安全感在于遵循一个计划来提高你的判断力。如果一个公司能提供你专业内广泛的经验,那很好。如果不能,就计划跳槽,以获取你所需的不同经验。例如,如果你想成为一名基础工程师,我想告诉你,从事一年左右的施工工作是多么明智,在这些工作中,你要与土壤和基础施工人员密切接触。我建议你最好有在土工实验室工作的经验。我建议还要在结构设计方面做学徒,因为基础工程师需要了解上部结构的力学传递特性。也许有人会说,年轻人最好不要跳槽过多,频繁换工作。当然,他不应该频繁换工作,但他应该有目的地从一份工作换到另一份工作,以便有机会获取到全方位的经验。

太多对土力学和地基感兴趣的毕业生发现,他们所在公司的主要工作是进行钻孔编录,土工试验,以及编写关于地基类型和地基容许荷载之类的报告。如果没有机会参与相关的建造项目,没有机会看到施工是如何进行的,也没有机会了解施工设备是如何运作的,这样的经验是干巴巴的。因为没有反馈。

如果一份工作,无论工资或养老金计划有多好,都不能提供学习新知识的机会,那么这份工作就不是好的经历。你不能指望你的老板为你提供全面发展的机会。当然,有些老板是这样做的,在这种情况下工作将会是一件非常幸运的事情。然而,这是你的职业,你有责任来制定计划和想出解决方案。

我的第二个建议听起来相当业余:把你做的每件事都详细地记在笔记本上。与其说目的是做记录,其实更多是为了培养观察力。这是我第一次在芝加哥地铁项目和Karl Terzaghi工作时,他给我的宝贵建议。他不仅坚持要我凡事记录,而且还经常检查。我很快就发现,尽管我的眼睛可能在看一项施工工作,但它们看到的东西并没有在我的脑海中留下深刻印象。例如,当我观察矿山法和衬砌安装是如何在隧道掘进过程中进行的,然后回到实验室,试图描绘和描述我所看到的东西时,我经常发现,我无法描绘出某些细节。我不知道一个构件是如何安装到另一个构件上的,也不知道在安装另一个衬砌时,已安装的部分是如何支撑的。我脑海尽管有一个概念,但如果我不能将它画出来,我就不算了解它。为此,我不得不折返到现场两次,有时三次,看看我被我漏掉的那部分是什么。我可以向你保证,几个月的这种练习,会大大提高你注意力和记忆重要细节的技巧。很快,我们就可以学会将目光投向整个项目,并从中了解到在一般情况下常规流程是怎么做的,以及哪些关键点需要注意。这慢慢会成为你作出工程判断的知识数据库。

我还在笔记本上记下了与各种各样的人交谈的记录,包括与Terzaghi的多次会议。如果我没有在一天结束前把对话记录下来,其中一些细节就可能会被遗忘掉。也许我在谈话的时候并没有真正听懂。试图以书面形式重新创造它时会揭露这个问题,那这个主题仍然可以通过进一步的交谈或通信加以澄清。甚至当我在设计部门工作的时候,把笔记本保存下来也是很有价值的,我在笔记本里记下了我们在设计特定结构时所做的事情的基本技术关键点。

正如你所看到的,这一切都是自律,自我训练。它是继续教育的一种形式。在许多方面,它都是最好的形式之一,我相信它能迅速提高我们的判断力。

同时,我应该补充一句。在努力获得各种各样的经验的同时,有一件事必须一提。你的老板有权让他的钱花得值。他的公司不是在办一个教育机构。当你进入公司后,你就欠他一份人情,同时也是欠你自己的:就是要待够一定时长才跳槽。在他为你安排的工作中多用点心,这是在你的学习期间对你老板投资的一种回报。

最后,我建议你不仅要仔细阅读专业杂志,而且要仔细阅读其中的广告,至少对土木工程师,尤其是基础工程师来说是这样。一个基础工程师可以通过阅读杂志上的广告来收获很多有价值的信息。通过阅读,他对现时热销的设备,被解决的工程难题等培养起行业的感觉。

我很抱歉,我举的很多例子都来自基础工程领域,或者结构工程领域。我知道土木工程的性质一般不同于其他工程专业,但我认为我所阐述的原则是有效的。

你们每个人都必须建立自己的事业。如果你是被动地做这件事,例如完全按照你老板的意图行事,尽管结果不一定会差,毕竟,你的老板也希望你在他设想的事情上多用心,这对他有好处。但从另一方面而言,这种没有方向的工作可能不会获得面面俱到的经验,没有这些经验,你作为一名工程师的价值最终会越来越低。或者,你可以积极地规划至少前几年的工作计划,要么在一家能够提供你各种必要经验的公司工作,要么在某方面经验积累足够后换工作到另一方面去。

根据经验而选择的职业,以及自学的自律性和对观察力的培养,必然会提高你的工程判断力。

从长远来看,你最大的回报,无论是经济上的还是事业上的满足感,都会遵循这个过程。

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