《自然辩证法》课程论文

浅谈结构工程中的科学技术方法论

一、摘要

自然辩证法中的科学技术方法论是关于自然界各个学科领域的普遍存在的科学技术理论、规律、方法。科学技术观和科学技术方法论是自然辩证法体系中重要的组成部分，自然辩证法属于马克思主义哲学范畴，自然科学技术方法论也属于哲学范畴，而结构工程属于实际应用工程范畴，本文主要探讨了在结构工程中存在的关于科学技术方法论的哲学思想，以及怎样利用哲学思想来促进结构工程未来的发展的问题，另外，也有一些衍生的问题。

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二、自然辩证法以及科学技术方法论

（1）自然辩证法

自然辩证法是辩证唯物主义的自然观和科学观，它是研究自然界存在的普遍的客观规律的哲学，同时它又是探索、改造自然途径的方法论，根据所发现的自然科学理论创造处能完成既定任务或者改造自然的具体方法理论。自然辩证法是马克思主义哲学的重要组成部分，它的研究对象与研究范围包括如下领域：自然界、科学、技术、社会。与此相适应，自然辩证法的体系和主要内容有：自然观、科学观、技术观、科学技术与社会。

（2）科学技术方法论

自然辩证法中的科学技术方法论，准确的说，科学技术方法论的说法是不正确的，因为科学与技术是两个不同的概念。科学的重点发现规律与理论，而技术重在研究如何改造自然的具体技术理论，最终的目标是要把所发现的理论物化为方案、方法、工具、设备等，以实现对自然的直接改造。然而由于科学技术的快速发展，二者的联系越来越密切，以致于在有些领域或者方面无法区分到底是技术还是科学。现在我所要谈的科学技术方法论大部分是关于技术的方法论，其中也有科学观和科学方法论的内容。因为在结构工程中，大部分内容是关于技术层面的东西，是关于结构设计理论、模型构造、施工技术等方面的学科。

三、结构工程中的科学技术方法论

（1）技术认识的基本程序之结构工程体现

结构工程是一个研究各类建筑物受力特性及对其进行结构设计的学科。包括分析一个建筑物的受力体系，分析各种荷载对建筑物结构的作用特点，根据力学理论和建筑材料的受力性质对结构进行合理设计以满足结构在各种环境作用下的安全性要求。人类早期的建筑设计主要依赖于人们长期积累下来的经验和技术，基本上没有理论支持。随着人类自然科学的进步，数学、力学理论、计算机技术得到了巨大的发展。力学学科的不断进步为结构受力分析提供了理论支持，使得建筑结构设计走向理论化、技术化。因为结构工程主要是研究结构内部内力、变形的分布规律及其发展规律，而力学正是研究自然界普遍存在的力和变形的学科，

加上材料科学、实验技术、计算机理论等方面取得的丰硕成果，使得结构工程走向了现代化的发展道路。结构工程的三大力学课程是理论力学、材料力学、结构力学。它们是结构工程赖与发展和进步的力学理论基础。目前关于结构工程的专业理论按照不同建筑结构类型可分为砌体结构设计原理、钢筋混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、高层建筑结构设计原理。它们都是应用力学理论，并考虑建筑材料的性质，通过理论推导、实验观察、实践检验。最终建立起来的正确的能直接被人们加以利用的技术理论和方案。它是符合技术认识的基本程序的。首先，必须考虑到社会的需要，从人们的现实需要出发，提出课题。也就是课题规划阶段。第二个阶段是方案的构思与设计。包括提出技术原理和解决问题的基本思路。以钢筋混凝土结构的出现为例，简单说明结构工程中技术认识的途径或者步骤。在钢筋混凝土结构没有出现之前，世界大部分的结构为砌体结构和木结构，其中砌体结构的自重太大，抗震性能差，并且它的建筑材料砖的制作会对生态造成很大的破坏，木结构也有对生态破坏的缺点，并且防火性能很差。正是在这样的建筑背景下，人们需要一种更优良的建筑材料来取代上述传统建筑材料。起初，人们是不知道采用何种材料作为主要建筑材料的，建筑界根据传统结构的缺点提出课题：发明一种新型的建筑结构材料。这样就确立了研究课题。下面要做的就是要提出解决问题的思路，人们根据对建筑的受力特性（结构构件无外乎要具有一定的抗压、抗剪、抗拉、抗扭能力），然后研究不同材料的受力性能，看哪种材料的受力性能最好，为此科学家们作了很多试验，发现混凝土的抗压强度比较好，也就是混凝土材料善于承受压力。同时发现钢筋的抗拉强度很高，远远大于混凝土的抗拉强度，甚至是它的几百倍。混凝土的抗拉强度非常小，几乎是很小的拉力就能使材料产生裂缝，最终导致结构迅速破坏。这样通过大量的试验结构人们建立了对两种材料的科学认识。同时考虑到建筑物中梁是一个受弯构件，即梁截面的上部受压，下部分受拉（这是根据一般的力学规律推导出来的），科学家根据上述科学理论与材料认识，充分发挥创造思维（创造思维在技术原理形成过程中起着至关重要的作用），人们就创造性的把两种材料结合起来，创造了一种目前广泛运用的建筑材料（钢筋混凝土）。针对梁的受力特点，这种新的建筑材料恰恰是既充分的利用了混凝土的抗压强度，又充分利用了钢筋的抗拉强度。使二者的效用能够发挥到最大。第三个阶段就是试验、实施阶段。就是根据提出的技术原理进行结构模型的设计。由于土建工程一般是比较庞大的工程，因此这个阶段主要是在实验室内进行建筑局部结构构件的受力试验，具体就是用两种材料制成钢筋混凝土梁，然后模仿真实建筑物中结构梁的受力施加荷载，观察梁的受力破坏特点、破坏特点。发现二者能够较好的协调一致的工作，是一种难得的优良的建筑材料。最终这项新技术在小范围内推广，发现钢筋混凝土结构能够很好的抵抗各种荷载。实践证明钢筋混凝土建筑材料是建筑史上重大的一项发明。为目前建筑业的辉煌进步奠定了基础。然而，随着人类科技的巨大进步，人们研发了高强度混凝土、高强度钢筋，还有具有特殊性能的混凝土。这些高性能的出现无疑促进了钢筋混凝土结构的发展。这点也体现了各学科、各技术之间是相互联系的。以上我是针对技术认识的基本程序，结合钢筋混凝土结构设计理论简单地谈了一下其具体操作模式和步骤程序。

（2）技术方法的特点之结构工程体现

下面我将结合现今建筑结构的发展状况对技术方法的特点作简要介绍。技术方法具有很多特点，其中包括目的性和客观性、功利性与折中性、多样性与专用性、社会性与综合性。

1、目的性与客观性。技术是人们有目的地创造人工自然的活动。技术方法总是与人们的一定目的相对应的。目的性反映了技术方法的应用是以达到目的为前提和归宿的。技术方法具有客观性，它以与客观因果性相符合为前提。高层建筑结构的抗震设计这项技术就是为了达到建筑物能够抵抗一定地震作用，同时建筑物本身不能发生彻底性性垮塌破坏的目的。它是严格按照地震作用原理，根据抗震等级的不同来进行抗震设计的，抗震设计必须要以尊重

客观规律为前提。

2、功利性与折中性。功利性意在说明一项技术是否有效。因此一项技术必须具有功利性。折中性的主旨在于追求技术最大效用的同时要兼顾到人与环境、长期利益与短期效益、经济效益与社会效益等方面内容。在建筑设计领域，折中性得到了很好的体现，具体是在进行结构设计中人们不能为了一味的追求建筑物具有一定的安全等级而不顾经济效益，不能为了一味的满足人们的生活需要不顾及生态环境的保护，也不能一味追求经济效益忽略了建筑物的安全性。总之，建筑设计要兼顾到安全、使用、经济、生态四个方面，不可偏颇一方，无论哪个方面都不能盲目的追求最大利益，相反也不能忽视任何一方面。必须是四者相互统筹协调的一个设计过程。可见，它充分体现了技术方法的折中性。

3、多样性与专用性。意思是说实现同一个目的有多种技术途径。举建筑物抗震设计为例。为了达到建筑物具有一定抗震性能的目的，可以有不同的抗震设计理论。具体的有框架抗侧力体系、剪力墙抗侧力体系、框架—剪力墙抗侧力体系、框架核心筒抗侧力体系、筒中筒抗侧力体系、束筒抗侧力体系等，可以很据建筑物的不同要求选取不同的抗侧力体系。专用性是指不同的技术领域有属于自己的特殊技术方法，这一点在结构领域中是肯定成立的，比如说施工领域与设计领域是两个完全不同的领域，它们的很多技术方法是没有关联的。

4、社会性与综合性。是指技术本身不仅要考虑到自然规律，同时也要考虑社会规律。在结构设计中的体现就是设计中在尊重客观规律（即一定的设计原理、设计规范）的前提下，如果遇到难于用量化标准来进行设计时，要适当的根据设计专家的经验来进行设计。综合性是指要综合考虑各种偶然因素进行分析，例如实际工程设计中往往要考虑某些偶然荷载的作用的。

四、怎样运用科学技术方法论促进结构工程的发展

由上述分析可知，在结构设计中几乎处处都能找到自然辩证法的影子。我们知道自然辩证法是研究自然界普遍存在的一般规律的科学。具体到科学技术领域中有科学理论、技术理论及其方法论的研发。如何把这些普遍规律运用到工程结构设计中，以更有效地促进结构设计的进步与发展呢？结合我所学自然辩证法的基本知识，我认为有几项重要工作不容忽视。以下简要做一下介绍：

（1）要重视基础研究即科学、技术理论研究。这就要求国家要加大资金投入，

加强科研机构的建设，培养一大批先进的科学理论专家。在做好本专业领域的工作的同时，更重要的是要加强各个学科的技术交流，因为不同学科之间往往存在一定联系，可以把其他学科的理论运用到或者移植到建筑设计领域中去，有时还要经过必要的修改和创新。例如可以利用计算机学科的理论，开发研究结构设计程序、方法、软件。目前结合计算机理论开发的专业软件有AutoCAD、天正建筑、PKPM、探索者等。随着计算机科技的高速发展，一些理论的新发现，都将为结构工程设计的发展提供丰富实用的理论基础，然而这是需要专门科研人员来结合两学科或者更多学科的特点，发挥创新能力，最终把这些理论物化为能解决实际工程问题的方案、方法。因此，作为科研人员有必要及时掌握计算机领域先进的科学技术理论。目前各个学科都处于攻坚阶段，在短时期内很难在某一个领域取得重大发现和理论进展，这个时期，加强各个学科、不同领域之间的理论互通、学习交流，经常开展两个或者更多学科之间的交流，有条件的可以设立一些专门研发机构，我认为这对于科学技术理论的新发现有很大的作用。

（2）要建立一个专门的观察机构对已建成的重大工程的各项技术参数进行不

断地监测，以便从中发现问题，找出技术理论存在的种种缺陷，进而提出问题、提出新课题，

供研发机构讨论并作进一步的研究，从而达到消除技术缺陷的目的。三压迫重视人才队伍的建设，完善科学技术社会体制化，加强科学技术专家角色的确立。不但要注重科学家人才队伍的建设，更要促进技术专家队伍的建设，因为技术专家在社会生产中比科学家有更多更显见的经济功能，可以直接把理论转化为现实生产力。

总之，要实现建筑结构工程学科的跨越式发展，势必要综合结合各种因素，并倡导一种良好的研发学术风气，充分发挥科学家的理论创新能力。

五、结构工程之杰作：当今世界人类史上最高建筑物

近几年，世界最高建筑的记录不断被刷新，这也显示了结构工程已经取得了巨大的成就和飞速的发展。熟悉结构设计的人不难发现，目前，高层建筑的设计理论无外乎有那几种抗侧力体系（前面已经提过），也就是说在高层建筑结构设计理论上几乎没有产生新的发展。然而，现今是高科技飞速发展的时代，完全可以把其他领域的先进技术理论运用到建筑工程中，因为建筑工程是一个庞大的工程体系，可以说是现代高科技的一个展示平台。这也充分体现了科学技术各个学术界的互动，在当今这种互动越来越频繁。互动可以提高效率，可以推动科学技术的发展。科学技术界的互动创造的工程奇迹不见少数。最近刷新了世界最高建筑的迪拜塔就是一个鲜活的例子。下面我将简要介绍一下学科互动在这个人类伟大工程中的运用。

迪拜塔是一个充分体现了科学技术综合利用的伟大工程。体现了科学技术的巨大社会价值。迪拜塔的结构体系并不复杂，是一种高层建筑常采用的束筒结构。总高828米，有160个楼层，比台北101足足高出310米。可见它是一个多么宏伟的工程项目。在它面前无人不叹服先进科技的进步，无人不为人类的智慧叹服。首先在材料方面，它用的不是普通的钢筋混凝土，而是专门设计的高强混凝土、钢筋。这体现了建筑材料的研发实力，使人们人们建造高层建筑成为可能。如果没有这些材料是完全不能建造如此高的建筑的。其次，对于高层建筑来说，风荷载是不能忽视的荷载，建筑物在建造过程中会受到相当大的风荷载，所以建筑物会发生水平、垂直方向的摇摆，如果幅度超过一定范围，建筑物就会倾倒破坏。迪拜塔在全程建造过程中采用了全球卫星定位系统进行跟踪监测，在建设期间可以实时掌握结构的偏移，以保证施工的精度和安全。如果没有先进的卫星通信技术作支持，施工的精确度是很难得到保证的。另外在建筑物内部设置了700多个传感器实时监测建筑物在重力作用下的变化情况。它还有一个巨大的挑战就是把混凝土运到570米以上的高度，并且不影响混凝土的基本性能，因此必须在混凝土没有凝固之前把它运到浇注的位置。迪拜塔采用了液压千斤顶，建筑工程师用一个起重能力达2300吨的液压千斤顶提升浇注混凝土和建筑材料。可见，如果没有先进的高压泵设备是不能完成此项建筑工程的。

我所了解的迪拜塔利用的高科技主要就是这些方面，肯定还有很多其他方面的高科技。在这个人类史上最高建筑物身上有很多高科技的影子，这高科技都是建筑领域之外的技术，可以说其他学科科学技术的进步极大地推动了建筑结构工程的发展。

六、结语

结构工程中自然有很多关于本学科的先进科学技术，它们的提出都是符合自然辩证法中科学技术的研发规律的。然而，我认为在当今科学技术快速发展的当代，充分利用其他领域取得的理论与技术、成果，充分利用各学科之间的技术信息交流，对于促进各个专业学科的发展有不可估量的作用。因为科学技术从总体上是一个相互融通的体系。结构工程未来的发展必将依赖于重大学科的理论新发展和各种新技术的出现。同时，结构工程内部新理论、新技术的发展也将促进其他相近学科的发展。