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摘要
「土木工程」是國家建設的火車頭，也是國力強弱的象徵。當台灣的橋梁由傳統十來米鋼筋混凝土版橋演變成目前常見的多變化長跨吊索斜張橋、脊背橋…，建築物也由早年的常見五樓公寓式樓房進步到509.2公尺的台北101大樓時，可以明顯感受到無論是公共或者民間的土木建設都有著長足的進步。現代土木工程的出現，與所採用的設計、製造工具有著很大的關係，也意味著設計工具有了很大的變化。先進設計軟體的誕生，雖然讓設計變得如同使用電動玩具般地容易，但為避免「Garbage in,Garbage out」，反而更突顯出土木人本職學能的重要性。學習工具決定了學習方法的優劣，土木人的學習工具就是「計算器」，從最早的「計算拉尺」，進步到「計算機」、「基本語言型計算機」，以及現代電腦普及後的計算軟體「Execel」、「Matlab」等。本文以實際的結構計算案例，提醒土木初學者善用現代最佳的學習工具，才足以應付目前先進耐震程式的基礎理論學習。能在求學階段就建立扎實的土木觀念，當投入土木建設行列時，可以為福爾摩沙創造出更多的土木奇蹟。
一、前言 土木人在學習過程中一定會用到「學習工具」，也就是計算機。藉由計算機來計算簡單的四則運算與超越函數、自然對數、開根號、…等等。這些簡單計算對於應付單一的運算式是足夠的。而實際的工程問題必須藉由數學方法求得答案。也就是說工程師必須將複雜的材料特性、載重以及邊界條件予以相當程度的假設及簡化方能夠以數學工具加以處理。換言之這其中作為實際物理系統與數學解之間的橋梁，就是所謂的數學模式，而此模式乃是將實際物理系統引入若干假設後所得到的理想化系統[1]。如果工程師對於求解數學模式只能夠運用計算機來進行工程設計工作，將回到美國當年登陸月球時的窘境。因為當時能使用的計算工具十分簡陋，使得計算進度十分緩慢，為了能夠提升效率，因此當時負責登月任務的NASA不得不放下種族歧視，晉用了非裔女性數學家來縮短計算時間[2]。當時的這些數學家被稱為計算員，她們所做的「徒手」計算，其實就等同發揮現代的電腦結合了計算軟體的功能。土木人如果只運用計算機來進行學習，是足敷「考試」之用。但如果要應付土木工程的設計工作，求解數學模式時將會困難重重，緩不濟急。譬如現在常用的耐震詳評基本原理，早在1975年就由Freeman[3]首先提出容量震譜法，使用第一振態的振形進行推垮分析(pushover analysis)，用以建立週期(T)與譜加速度(Sa)表示的容量曲線，再藉由與工址彈性設計反應譜的比較，以了解該建築物的耐震能力。不過正式進入規範採用成為ATC-40[4]，卻是1996年二十一年之後的事了。原因就是提出計算理論的時空背景，無法創造出迅即得到計算成果的應用軟體，倘若只利用計算機來進行計算，將會曠日耗時，是無法運用在真正的工程設計上。也就是說土木人在學習過程中，若只會運用計算機來進行，將無法應付未來實務的工作。所以說「考試歸考試，實務歸實務」，當採用不同的學習工具進行學習時，將會有著極大不同的體悟。本文嘗試依筆者的親身體驗，以實例說明「現代」土木工程為何需要有不同的學習思維，方能適應現代土木工程所標榜的快速與美感。 二、過去學習時的能與不能
自1859年經多次改進的計算尺問世後，直到二十世紀的60年代初期，全球的工程師可說人人一把這輕巧的利器。而且尺不離手，拿它來解決一切計算的問題。可是計算尺僅有三位數的準確度。隨後電池型計算機的出現，直接淘汰了計算拉尺。計算機的優點是只要將複雜的計算數字與聯結符號輸入，如果資料輸入正確，瞬間就可以得到正確答案。其缺點是答案只能顯示在計算機螢幕中，使用者必須抄錄到計算紙上，謄寫整理成計算書。倘若幸運發現答案錯誤，必須用橡皮擦或立可白，從錯誤的地方開始重新計算。換言之，學習者花了許多的時間練習漂亮手寫，培養小心與專注力，只是為了應付未來的考試。除了在學習過程中必須浪費大量時間外，所有的成果都呈現在紙本計算書上，當面臨下一次相同案例不同數字的狀況，只能做為計算流程參考，而無法直接應用。由於土木設計實務上採用的工具已提升為電腦搭配適合的應用軟體進行，大幅縮短設計時間，也導致現代的設計規範為求得更精確的設計成果，將以往簡化的假設條件及設計公式變得更為繁複。如果要單純以計算機完成設計，將會緩不濟急，無法達到現代土木建設所要求的效率。在早期的美規鋼結構設計規範AISC[5]中，除了基本公式外，採用了大量的圖表，甚至還附了「BEAM DIAGRAMS AND FORMULAS」(詳圖1，此部分的展現方式，甚至超越常用的土木建築力學設計手冊P87-P94[7])，與其說是設計規範，不如稱為設計應用手冊更為貼切。原因是當時工程師常使用的計算器，就只有簡單計算功能的計算機而已。作業方式就只能在紙上作業，先簡化實際結構系統成為最簡單的模型→連續梁，接著就利用翻閱AISC，尋得答案需求的算式或數值，手按計算機得到結果後，再騰寫在計算紙上。此種耗時易錯的作業流程，也間接造成土木人學習上的障礙。在當時也只有美國規範才具備詳盡的圖表可查，工程師若不熟悉英文，在從事結構設計時極有可能誤用圖表，造成遺憾。現代由於電腦的威力強，結構分析仰賴簡化的程度是大幅滑落了。學習首重提綱繫領、脈絡分明、容易聯想連貫。我國土木設計規範主要源於美國規範，譬如耐震設計規範主要脈絡源自ASCE，鋼構規範源自AISC，其中我國耐震設計規範所提及之αy為世界首創。此係數在ASCE及AISC中並不存在，故我國鋼結構設計規範在最新版中設定αy=1，如此相關規定便可完全仿AISC了。αy的影響當然包括了分析載重組合時之加成係數，此也是新規範中可以修改地震力E的加成係數為0.8的原因。現代規範所要求的載重組合數，針對不同荷載組合、設計方法、上構USD或ASD、下構配筋USD或ASD、基礎容許力檢核等不同需求，載重組合總數甚至達到幾百種。如此龐大的結構分析工作量，是過去使用計算機搭配紙上作業所望塵莫及的。土木工程師在學習過程中，為適應現代規範的改變，若還停留在採用計算機來吸取學習經驗，恐淪落緣木求魚的陷阱中。 三、現代學習工具的進步 土木工程的設計決定了技術的先天條件。日益精良的測量技術、土壤鑽探技術、測震技術、探風技術、…同時讓土木設計無法再如過往滿足於過度簡化的假設設計條件。過去以數個斷面的平面結構分析就可以完成的線狀結構體設計，在現代高速電腦及搭配3D結構分析應用軟體的加持下，必須全線結構以3D模型模擬分析。如此不僅可以更精確地掌握住結構行為，也同時避免幾個斷面便模擬出整條結構的材料浪費，提昇了經濟效應。隨著早期個人電腦DOS作業系統發展到目前常用的WINDOWS作業系統，多工同時運算及快速圖形處理讓結構設計常用之應用軟體從唯一的文字交談界面與文字混合簡單圖形輸出，提昇成智慧動態圖形介面的輸入與輸出方式，親易近人的使用方式，搭配可以自行發展後續操控程式語言API[8]，讓土木工程師更能有效地進行結構設計，發揮出建築師天馬行空的創意。譬如目前常用的結構設計軟體SAP2000、ETABS、STAADPRO、MIDAS、…從線性靜動力分析到非線性靜動力分析，甚至先進國家的設計規範檢核，都具備良好的精度、簡易的輸入介面、方便再利用的輸出介面及成果。以往土木工程師花費大部分時間製作的結構計算書、數量計算書、設計圖、施工圖等等的工作，在現代設計軟體標榜幾乎全自動化功能的幫助下，能以最少人力及時間獲得需求的成果。也因此許多學校教師為配合實際工作需要，直接以設計應用軟體結合基礎理論讓土木人進行學習。在學習過程中，也同時配合採用設計應用軟體都具備的輸出及輸入平台試算表EXCEL，進行檢核及驗證。基本上EXCEL可分成幕前工作及幕後工作。幕前工作的使用方法就如同我們在手寫計算書一般，只是將筆換成了鍵盤來做輸入的工作。其優勢是可以擺脫計算機，將每一格的儲存格輸入想要計算的公式或文字，便可快速便利的求得答案。EXCEL所具備的文書功能，搭配優異的圖形表格繪製整合能力，讓以往手寫計算書欲達到工整美觀易讀的苦差事成了輕鬆的工作。甚至發展出許多簡易操作函數，讓簡單的幕前工作能做出漂亮的輸入介面，能將計算書變成一完整的「程式」。所謂的幕後工作，就是可以在幕後操縱每一個儲存格的程式，以EXCEL而言就是指其所具備的幕後程式語言∼VBA(Visual Basic For Application)，VBA如同一般程式語言的語法，邏輯性是完全相通的。最大不同處就是該語言不需要經過編譯的過程，而且可以做到將幕前工作的所有「動作」錄製直接轉為VBA程式。再加上完整具備智慧的程式偵錯能力，讓撰寫程式的門檻降低，可以由各個專業領域的專家，寫出自己想擁有的專業程式，加上原本EXCEL的優異文書處理能力，直接將成果變成華麗的結構計算書或者數量計算書。這類軟件才是現代土木人最佳的「學習工作具」。 四、柱斷面塑性彎矩計算實例 土木人的成長應該分成兩部分，第一階段為在學期間，所有的專業基礎由學校的老師幫忙建立。土木人經由學校考試，確立學習目標及方向。第二階段為進入社會服務期間，實務工作讓土木人在專業領域裡必須不斷地學習新知。謹就設計而言，就學階段只要搞定所謂的教科書就好，但在實務工作中卻必須熟悉各種設計規範，將其確實應用在設計工作中。土木人在學校所接受的教育，對於規範只是配合基礎知識建立時的擇要提點。面臨實務工作時，對於規範不僅需要全盤熟讀，還要能正確的靈活運用。更遑論許多實務設計工作是需要參酌大量的參考文獻及經驗設計手冊。在邁入世界地球村的現代，設計工作更不會侷限於台灣，許多實務設計工作是必須熟悉美國規範甚至是歐洲規範才能夠進行的。結論是當土木人成為社會新鮮人時，只是真正專業學習的開始而已。如果抱持通過技師考試，就自認為無所不能不再學習時，恐怕只會造成業界的困擾，讓社會的土木建設安全堪慮。台灣的土木規範隨著教育界大量學成歸國的學者推動，從過往的一成不變，改進成跟上世界先進規範的脈動，經常修正甚或重大變革改版已成常態。不過盡信書不如無書，土木人在學習過程中，若對於書中內容無法自行計算印證，日後將欠缺判斷能力，實屬可惜。筆者謹就中國土木水利工程學會所編著之(土木424/90)『混凝土工程設計規範之應用(下)』[9]其中IV-76頁所載的柱斷面塑性彎矩計算(圖2)為例，檢討土木人在學習時可能遇到的困擾。
參考文獻
1.
Mario Paz，「Microcomputer-aided
engineering: Structural dynamics」，Van
Nostrand Reinhold，1986。 5.AISC, (1980), “Manual of Steel Construction. 8th Edition”, American Institute of Steel Construction. 6.AISC, (1989), “Manual of Steel Construction. 9th Edition”, American Institute of Steel Construction. 7.江新煌、蔡震邦 編譯(高須治男、清田清司 原著),「土木建築結構力學設計手冊」，文笙書局，1990年10月。 8.曾長智，「API技術結合EXCEL試算表在結構工程設計上之應用」，技師期刊 ； 73期 (2016 / 05 / 01) ， P45 - 51。 9.中國土木水利工程學會，「[土木404-90]混凝土工程設計規範之應用 下冊(草案)」，民國九十年八月。 10.財團法人中興工程顧問社、中國土木水利工程學會，「[土木404-90]混凝土工程設計規範之應用 下冊」，民國一百年十一月。 11.張行道，「土木工程的回顧與前瞻」，科學發展，2011年1月，457期。 12.虞兆中，「工程環境面面觀」，圖文技術服務公司出版(1997)。 |
