“尽善尽美”与科技创新

       艺术和宗教追求的是“尽善尽美”，而且是“酒要陈的香”，越久远，越好。唐宋的艺术品（书法、绘画和瓷器等）就要比明清艺术品的值钱，夏、商、周的青铜器更是国宝。“尽善尽美”走到极端，就是固步自封，不思进取。最久远的“尽善尽美”例子就是“梁柱式”建筑，大约一万年前，“梁柱式”建筑就已经“尽善尽美”，而且历尽万年，经久不衰。图1是在浙江余姚河姆渡新石器文化（公元前5000～公元前3300年）遗址中发掘出来的“梁柱式”建筑的木构榫卯。中国西南地区现在仍然到处可见这种从远古流传至今，采用“梁柱式”建筑结构的吊脚木楼，为了仔细观察造型古朴、舒适欠嘉，优美而缺少现代科学技术气息的吊脚木楼的建造和居住情况，笔者2001年曾在一个叫做“龙胜”的瑶族山寨小住过几日。

图1

现如今，为了追求“尽善尽美”，在编制教材和技术标准时，往往要耗费大量时间和人力，而且是“一旦拥有，别无所求”，几十年都不会改变。

与艺术品不同，过时的科技产品往往一文不值（例如MS-DOS操作系统和在它上面开发出来的应用软件），反到成为累赘（例如电子产品升级换代后扔掉的泛滥成灾的电子垃圾）。科学技术要求快速创新，要紧跟市场需求，不能拖泥带水，根本就没有闲工夫去追求“尽善尽美”。1965年提出的“摩尔定律”指出：芯片的容量每18个月就要加倍，这就意味着微电子产品每隔18个月就要更新换代一次，事实上现在微电子产品不到18个月就要更新换代一次，只要你半年没有去过深圳赛格电子市场，就会落伍，半年之间市场上会冒出很多你不认识的新产品。最不“尽善尽美”的科技产品当数Microsoft开发出来的Windows操作系统和MS-Office办公系列软件，从Windows3.0到Windows-XP，从最初的文字处理软件Word，到Office2003，Microsoft从来就没有推出过“尽善尽美”的新产品，“补丁”软件总是紧跟着新产品同时问世。

美国的轻钢结构技术标准也一样，基本上是在动态中发展的。每年修订一次，而每次修订之后都有“错误”出现，需要立即更正，但每次都在“进步”。

二、 材料力学的最新发展

任何科学理论，都具有被实验（事实）推翻的可能性，被实验（事实）推翻了的理论还可以多加一些限制条件来挽救。不能被实验（事实）推翻的理论，推翻了又无法挽救的理论是半点用处也没有的。现代科学技术的飞速发展，靠的就是不断地推陈出新。

材料力学是一门技术基础学科，其研究方法是采用理论分析与实验研究密切结合的科学方法。任何一位忠实于实验科学的人都应该铭记：不能被实验（事实）推翻的理论是没有解释能力（即没有太大用处）的，因为这样的理论不可以被实验（事实）验证其错，当然，也就无法验证其对。可以解释实验（事实）的科学理论，必然有被实验（事实）推翻的可能性。

举例来说，意大利科学家伽利略为了解决建造船舶和水闸所遇到的梁的尺寸问题进行了一些实验，并在1638年首先提出了计算梁的强度所用的公式（材料力学鼻祖）。虽然由于他采用了“刚性”力学的方法，而没有考虑到梁受力后的变形这一重要因素，以致其结论现在看起来并不正确，但在当时却很有用，同时毕竟开辟了用实验和按理论方法计算构件的新途径。

1678年英国科学家虎克发表了他根据实验中所观察到的现象而总结出的一个重要物理定律，即物体的变形与它所受的载荷成正比（虎克定律），“推翻”了伽利略提出的“刚性”材料力学理论，更加实用和准确的描述了“弹性”材料力学现象。

随着科学技术的发展，高强度的钢材、铝合金等材料逐渐成为主要的工程材料，从而使构件为了符合其强度要求所需要的截面尺寸有可能减小。然而，由于采用了细长的构件，在外力作用下其变形会显著的增大。因此，保证构件的刚度——即防止其变形超过工程上所能允许的范围，就成为在计算中必须加以考虑的另一个方面。此外，由于细长构件在受压时，又出现了在其原有直线形状下的平衡丧失了稳定性的现象，所以又需要对构件进行稳定性的计算。

因此，为了保证构件在荷载作用下能够正常使用，现行的《材料力学》课本（即传统的，或现在国内大学所教授的《材料力学》）都是把维持构件正常工作的要求归纳为如下三点：

• 在荷载作用下构件应该不至于破坏，即应该具有足够的强度；

• 在荷载作用下构件所产生的变形应该在工程上允许的范围以内，也就是要具有足够的刚度；

• 在荷载作用下构件在其原有形状下的平衡应该保持为稳定的平衡，也就是要满足稳定性的要求。

1932年，英国人Careman从金属加工过程的“冷作硬化”现象中发现，板件局部失稳，不等于构件丧失承载能力，而且可能还有相当可观的屈曲后强度（σ_ya）可以利用，因而提出了板件屈曲理论，以及屈曲强度（σ_ya）、总截面、净截面和有效截面（或有效宽度）等概念。在某些使用情况下，薄壁构件的稳定性不再是材料力学的追求目标了。允许板件产生局部失稳，利用板件失稳（屈曲）后强度（σ_ya）进行结构设计，已经成为结构工程师多年来奋斗的目标。

1986年，美国钢铁协会首次在冷轧薄壁轻钢构件设计规范中采用了屈曲强度理论，颁布了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986）。

1999年，美国钢铁协会不但在冷轧薄壁轻钢构件设计规范中考虑了冷轧钢材构件成型的冷作硬化（这是机械加工行业上百年来一直沿用至今的术语）带来的强度增加（自从英国人Careman1932年提出了板件屈曲理论之后，材料和钢铁行业就一直称其为屈曲后强度，σ_ya），而且还考虑了构件组合在一起的“重复与复合作用”，颁布了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1999）。

至此，《材料力学》理论终于从“构件静力学”迈向了“系统静力学”，尽管“系统静力学”还没有达到“尽善尽美”，但也正在快速的推陈出新，不断地发展和进步（如果“系统静力学”真得达到了“尽善尽美”，就会有新的科学理论来替代它了）。

在牛顿力学（F=ma）中，构件的重复与复合作用等于单个重复与复合作用构件作用乘以重复与复合作用构件的数量，即

∑a_n=na

式中∑a_n——代表构件的重复与复合作用；

n——代表重复与复合作用构件的数量；

a——a代表单个重复与复合作用构件作用；

在“系统静力学”中，构件的重复与复合作用大于单个重复与复合作用构件作用乘以重复与复合作用构件的数量，即

∑a_n＞na

或∑a_n=C_rna

式中∑a_n——代表构件的重复与复合作用；

C_r——构件重复与复合作用系数；

n——代表重复与复合作用构件的数量；

a——a代表单个重复与复合作用构件作用；

《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986）是基于牛顿力学（F=ma），采用允许应力设计（ASD）,只考虑了冷轧钢材构件的冷作硬化（或屈曲后）强度σ_ya，没有考虑构件组合在一起的“重复与复合作用”,其设计公式或性能函数为：

R/Ω≥L

式中R——名义抵抗（设计）应力；

Ω——安全系数（R/Ω也称为允许应力），在允许应力设计（ASD）中，安全富裕就等于安全系数；

L——由名义设计荷载组合引起的荷载效果（单位与R一样）。

《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1999）是基于“系统静力学”，采用荷载和抵抗系数设计（LRFD），不仅考虑了冷轧钢材构件的冷作硬化（或屈曲后）强度σ_ya，而且还考虑了构件组合在一起的“重复与复合作用”,其设计公式或性能函数为：

ΦR≥∑rL

式中R——名义抵抗（设计）应力；

Φ——抵抗系数，在荷载和抵抗系数设计（LRFD）中，安全富裕（或安全系数）等于∑rL/ΦL（≈r_平均/Φ，

通常，r_平均=1.2~1.6），其中，r为给定荷载组合里的每个荷载的荷载系数，∑rL为荷载和抵抗系

数设计（LRFD）荷载组合，L为允许应力设计（ASD）荷载组合；

r——在给定荷载组合里的每个荷载的荷载系数；

L——在名义设计荷载组合里的每个荷载所产生的应力（单位与R一样）。

按照允许应力设计（ASD）时，经常取安全系数Ω=1.67，对应于荷载和抵抗系数设计（LRFD），抵抗系数Φ_b=∑rL/ΩL（≈r_平均/Ω，通常，r_平均=1.2~1.6）。当r_平均等于1.52时，Φ_b≈r_平均/Ω=1.52/1.67 =0.91，与Φ_b=0.95相比，要多消耗大量的钢材和劳动力，因而《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986）和允许应力设计（ASD）还是相当保守的。

按照荷载和抵抗系数设计（LRFD）时，考虑到构件重复与复合作用，经常取Φ_b=0.95，当r_平均等于1.52时，安全系数Ω=∑rL/ΦL≈r_平均/Φ=1.52/0.95=1.60，与Ω=1.67相比，安全系数Ω减少了0.07（=167-1.60），因而可以节省大量的钢材和劳动力。

注意：只有教小学生的四则运算才是1+1=2，而在现实世界中，1+1＞2的现象比比皆是。不但建筑结构中有“重复与复合作用”，我们还可以在现实世界中列举出很多“重复与复合作用”的例子，例如，城市人口积聚效应，由于社会成员的专业生产，分工合作和市场交易，以及其它一些目前还不甚清楚的原因，即便大城市和众多小城镇的总人口数量一样多，但大城市的总生产能力总是大大高于众多小城镇加到一起的生产能力之和；连锁超市的赢利能力也大大高于同等数量的自主经营的小杂货店的赢利总和。

有关“系统静力学”中“重复与复合作用”的详细介绍，笔者可以参阅笔者所著的《轻（木或钢）骨架住宅结构设计》一书。

五、 结束语

之所以要写这一章，是因为科学在中国遭受过2000多年的鄙视和压抑。

由于缺乏科学创新精神，我们总是热衷于总结过去，而不善于探究未知。对科学的本质有着根深蒂固的误解。

在西方，宗教与科学分得很清，而且它们之间一直有矛盾。从远古到牛顿时代，始终是教会占统治地位，一直到牛顿时代之后，科学才逐渐占了上风，上帝的地位降到了低谷。

在中国，长期以来由于科学、艺术与宗教总是纠缠不清，大多数情况下，它们都是互相参杂、互相帮助、互相进步。“风水”学说就是科学与宗教（迷信）完美结合的典范。“风水”学说是中国古人数千年，乃至数万年生活经验的总结，其中不乏原始科学知识，但其基础理论和指导思想却是宗教的阴阳学说。

直到现在，还有很多人在以宗教狂热的方式追求“颠扑不破”的“科学真理”。现如今，打着科学晃子的封建迷信不时的出现在大众视野和各种媒体中，而喜欢造神的中国人往往会把过去成名的“专家学者”吹捧成需要顶礼膜拜的“科技之神”，不容亵渎，不容挑战。

科学研究就像爬山一样，爬过一个山头，稍事休整，就要再去爬另一个山头，这山望着那山高，永无休止，没有尽头，从亚里士多德（公元前340年），到哥伯尼（1473—1534）、伽利略（1564—1642）、牛顿（1642—1727）、爱因斯坦（1879—1955），一个挑战一个，一个大师站在另一个大师的肩头上往上攀登，这才把科学技术推进和发展到今天的局面，但至今他们谁都没有找到过“颠扑不破”的永恒的“科学真理”。

科学的发展需要创新，创新就需要挑战已经成熟的科学理论，尤其是需要挑战过去成名的“专家学者”创立的科学理论。

在建筑界，正是由于1706年，德·科德穆瓦首先向西方建筑的“祖宗之法”——《建筑十书》的作者维特鲁威正统的观念——提出了挑战。接着在18世纪末期，克劳德·佩劳又向维特鲁威的比例关系学的普遍可行性提出了挑战，建筑师们的思想才开始从古典教义里得到解放，并逐渐摆脱了维特鲁威的比例关系学的禁锢，人类真正进入了现代建筑和钢结构建筑时代（现代钢结构建筑基本都不符合维特鲁威的比例关系学）。

这段文字早就写好，应该撂笔，但最近却看到了国务院印发的《全民科学素质行动计划纲要（2006-2010-2020年》（以下简称《纲要》），《纲要》把提高国民科学素质问题提高到了国家战略任务地位，可见提高全民科学素质问题的严重性和迫切性。新华社对《纲要》的报道摘要如下：

[纲要原文]公民科学素质建设是坚持走中国特色的自主创新道路，建设创新性国家的一项基础性社会工程。

[背景与现状]有关调查显示，我国公民科学素质水平与发达国家差距较大。我国大多数公民对于基本科学知识的了解程度较低，而且在科学精神、科学思想和科学方法等方面更为欠缺。公民科学素质水平低下，严重制约了我国创新型人才的产生和成长，已成为制约我国经济发展和社会进步的瓶颈之一。

……

[纲要原文]在“十一五”期间实施以下主要行动：未成年人科学素质行动；农民科学素质行动；城镇劳动人口科学素质行动；领导干部和公务员科学素质行动。

[背景与现状]我国青少年科学素质水平在不断提高，但由于长期受应试教育影响，科学素质结构存在明显缺陷；农民具备基本科学素质的比例仅为城市居民的六分之一，农民享受科学教育、传播与普及公共服务的机会远低于城市居民；适龄劳动人口科学素质不高，难以适应现代化建设的需要；领导干部和公务员（笔者注：应该也包括科技人员，因为有很多科技人员也缺少基本的科学精神、科学思想和科学方法）的科学素质水平则直接影响到决策科学化、民主化和科学管理。

……