【文化】名校 名师 名桥

桥梁杂志2020-07-18 07:33:18

说到世界范围的名校,每个人心中都有自己的选择。基本上,出现频率最多的,都是位于美国、英国、法国、德国的大学。正如在列举重大社会事件、划时代科学发现以及卓越成就时,一些名字被提及的频率,远远高出另外的一些名字。通俗的说法,就是这些被经常提及的名字更知名。名气不全部依赖其本身价值,它既实亦虚,是自身价值与对于外部世界影响力的组合。二者相当,就是实至名归;影响力超过自身价值,就是名不副实。价值是相对固定的,影响力则可以借机和趁势,可以通过与其他有名气的名字和事件关联,得到扩大。比如,出生在对世界影响力重大的那些国家的科学家,会比一些小国的科学家更容易出名;一些出生在小国的伟大人物,在世界范围内,不一定能获得与他的伟大同等的名气。一个事件发生的地点,在决定民众的关注度方面,具有举足轻重的作用。反过来,名人也可以将一个城市变得著名。就像达芬奇与佛罗伦萨,佛罗伦萨与文艺复兴。


   一座大学的名气,也是如此。


在欣赏上个世纪桥梁工程的经典杰作时,如果人们稍微多一点好奇心,想要认识一下那些桥梁的设计大师,再进一步了解大师们的教育背景,就会在若干座名桥后面,找到一个共同点——苏黎世理工学院。



理工学院


中文的“理工学院”,可以是institute of technology,university of technology, polytechnic university等。而英文p o l y t e c h n i c 一词最早出现于1 9 世纪, 源自colePolytechnique,即法国1794年在巴黎建立的工程学院。追根寻源,Polytechnique又是源自希腊语,是“很多”与“技艺”的组合词。虽然现在“技术”这个词的应用十分广泛,在社会科学、商业等领域都已经使用普遍,但是在与学院和大学连在一起使用时,即使历经百年发展,此时的“institute”早已不是当初的“institute”;即使校名早已更改,人们仍然可以从初期的“Poly Technology Institute”“Royal Technology Institute”寻出这所大学的基因,知道这个“institute”建校时的宗旨,是培养诸如土木工程、机械工程、矿业金属方面的工程技术人才,即所谓的“工科”院校。


自从人类开始制作工具,工程技术就已经存在,并伴随着人类的进化一起发展。在很长一个时期,对于工程技术的训练,基本沿用师徒传授的方式。不同语言的“技术”一词,与学院或大学连在一起,距今不超过300年。有趣的是,工业革命发源于岛国不列颠,工程学院则诞生在欧洲大陆,先后出现在法国和德国。


最早的大学可以追溯到11世纪,比如意大利的博洛尼亚大学,英国的牛津大学等,都是西方早期的高等教育发源地。学生在这里研习的内容,最初只是宗教、法律,随后逐渐增加了文法、修辞、逻辑、数学、音乐和天文学。到中世纪晚期,一些大学增设了自然原理、医学等学科,自然学科中部分包括了物理和化学原理。不过总体而论,当时的大学属私立,都只设有文科、理科、医科,没有工科。


尽管c o l e P o l y t e c h n i q u e是最早使用“理工学院”命名的大学,法国的第一所高等工程技术学院却不是colePolytechnique,而是更早建于1747年的皇家路桥学院(cole Royale des Ponts et Chaussées,后改名为巴黎路桥学院)。顾名思义,学院最初是应皇帝路易十五的要求,专为法国皇室宫廷训练工程师的高等学校,当时这样的学校与军事院校类似,毕业生进入军队或政府,直接为国家效力。


随着建造、采矿、冶炼、制造等逐渐达到一定规模,行业的进步与技术教育之间的密切关系变得显而易见,行业的发展催生了对工程师的需求。而且,当时的工程技术发展,直接与国防军事相关联。于是,在1794年,巴黎诞生了第一所公立高等工科院校——巴黎理工学院,隶属法国国防部。这应是“国立”大学的开端。


18世纪末是法国大革命时期,这场大革命为法国拉开了现代社会的帷幕。这个时期,法国人引以为傲的自由独立精神空前高涨,知识分子变得更加敏锐,他们在科学运动曙光初现时,便预见到了蕴藏其中的巨大潜力,同时也看到了艺术发展与科学技术的互相促进。正是这种先知般的对未来的展望和对科学与艺术关联的认知,激发了各阶层、全方位传播科学知识的热潮,促进了将技术过程与科学艺术发展结合教育的努力。


这个时期法国建立了三个主要的国立教育和研究机构:自然博物馆,致力与植物学研究;巴黎理工学院,为陆军和海军输送技术专家;在巴黎理工学院建校的同一年,另一所公立大学——法国国立工艺学院在巴黎诞生,这所学校创立的初衷,是建立技术发展的历史资料,强调动手能力和工程实践。尽管这三个机构有各自的专业侧重点,三个机构的教育理念是一致的,即抽象理论与形象思维并行、重视工程教育的实践和应用。这成为法国工程教育的特色,也对西方高等教育的发展产生了深远持久的影响。


名校——瑞士联邦理工学院(ETH)


瑞士联邦理工学院


瑞士不是由海峡分隔的孤岛,它与法国、意大利和德国接壤。工业革命和启蒙运动的巨浪,早已越过阿尔卑斯山,对瑞士的社会、经济和文化发展形成巨大冲击。然而,成立瑞士国立大学的计划,却酝酿了很长时间。由于瑞士使用四种官方语言,而且日内瓦、伯尔尼等大城市不希望由联邦组建的大学对已有的大学构成竞争,国立大学的提议,一开始就遇到巨大的阻力。直到1848年,新成立的瑞士联邦政府成功推动了这个提议,并且将大学定位为“理工学院”,聚焦技术,而不是与其他大学类同的人文。摒弃传统的大学科目的举措,既抚平了各方的反对声浪,又对大学课程的设置作了精简,使得学生在4年中致力于与当代的科技与工业时代直接相关的知识与技能。实际上,联邦理工学院建校的目的很明确,即为瑞士培养基础设施建设的精英人才。


于是,瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)成为瑞士唯一由联邦政府控制的教育机构,它的最高行政权力属于瑞士联邦委员会,学院院长直接由内政部长任命。对于学院具体事务,诸如专业设置、教学大纲的制定、招生考试、学费、教授的任命,退休以及其他师资配置等,则由联邦委员会委托“瑞士学校委员会”管理。 联邦委员会还控制学校的财务状况,并审查学校理事会提交的年度报告。


学院有两个校区, 一个位于德语区苏黎世, 一个位于法语区洛桑。中文常将这两所联邦理工学院翻译为“苏黎世理工学院”和“洛桑理工学院”。当地用E T H 和EPFL作为两所院校的简称,分别取自其德语校名(Eidgen sischeTechnischeHochschule)和法语校名(colePolytechniqueFédérale de Lausanne)。


万事开头难!说的是从无到有之难。即使有了明确的办学理念,也有周边国家如法国、德国的理工学院可以参考,在瑞士联邦理工学院组建之初,对学校创办者是否具有选择的明智,管理的技巧和执行的决断,是个极端的考验。从无到有,等于一切从白纸开始;在白纸上可以画出最新最美的画,这是对于高明画家而言,对那种胸有成竹的设计师而言。无论如何,新建一所瑞士联邦从未有过的理工学院,最初的建校理念,专业的设置、各系掌门人的选择,是学院成长的基因,其重要性怎样强调,都不过分。


建校初期,学院只有三个系,建筑系、土木系、机械系,这是当时理工学院的专业基本配置。其后30年,陆续增加了化工、农林、数学与自然科学系。学校的管理委员会十分重视工程实践在工科院校教育中的重要性,在课程设置中,从第三学年开始就有很重的课程实践内容。委员会也十分重视科学实验,并为此作了大量的投入。大约在19世纪80年代和90年代,与教学相关联的实验设施逐步完善,学院建立了材料和机械实验室,旨在通过科学实验深化理论知识,改善教育质量。在19世纪末,ETH的机械实验室是欧洲大陆最先进的实验室。


最初的50年,是学院元老们在课程设置、实验设施和毕业生的职业生涯三方面的互动过程中,寻找学院教学、工程实践和工业应用三者的最佳结合点的50年。此后100多年的发展证明,这最初50年的探索,为瑞士联邦理工学院奠定了坚实的基础,铺就了未来的辉煌之路。截至2010年,学院培养出21名诺贝尔奖得主,其中,1896~1900年在数学与自然科学系就读并获得学士学位的爱因斯坦,以他的相对论、质能等价公式(E=mc2)等卓越的原创科学成就,以及他作为和平主义者和国际主义者长达半个世纪的社会活动,成为母校最杰出的校友。


将ETH定位为名校,大概不会有任何异议,ETH的鼎鼎大名,早就因为爱因斯坦而蜚声世界。然而也正因为爱因斯坦的光芒太强,掩盖住了ETH土木系的光辉。其实,就算没有爱因斯坦,没有那长长的诺贝尔获奖校友的名单,只是因为它的土木工程系,因为该校土木系的奠基元老卡尔·库尔曼(KarlCulmann)和他创立的图解静力学,因为承上启下的威廉·里特(Wilhelm Ritter)大师和他的诸多弟子在世界各地修筑的名桥,ETH也绝对是一所名校。


卡尔·库尔曼——ETH土木系的鼻祖



卡尔·库尔曼


1855年,时年34岁的卡尔·库尔曼,在ETH的教授全球海选中胜出,就位土木系系主任宝座,成为ETH土木系的开山鼻祖。说是全球海选,一点都不夸张。瑞士联邦的学校管理委员会为组建教授团队,从1854年起,联络、面试了189位候选人,这些候选人中,接近一半是德国人,三分之一是瑞士人,其余的来自法国、比利时、意大利和英国。没有美国人入选,这不奇怪,因为自工业革命以来,无论是学术界还是工程界,欧洲人一直认为欧洲水平就是世界水平,这种观念一直到第二次世界大战之后才逐渐消除。1855年秋,精心挑选的31位教授成为ETH的第一批教学骨干,开始在苏黎世为学生上课。建筑系、土木系和机械系的第一任系主任,都是在各自领域享有国际盛誉的学者。


库尔曼1821年生于德国,库尔曼的父亲是那个时代的高级知识分子,他为库尔曼提供了最好的基础教育,库尔曼甚至跳过了通常进入大学需要的两年预科,直接考入卡尔斯鲁厄理工学院(KarksruhePolytechnicum)。毕业后,库尔曼被巴伐利亚铁路局录用,参加了当地的几个重大铁路建设项目。这段时间的工程实践,不仅使得他积累了丰富的第一手现场经验,更激活了他钻研结构工程设计理论和学习先进桥梁工程施工经验的强烈意愿。1849年,库尔曼请求铁路局派遣他到铁路建设的两个大国——英国和美国考察学习。鉴于他突出的工作表现,上级主管批准了他的申请。


库尔曼的考察访问持续了大约两年。1850年他访问美国时,正是美国铁路建设的高峰期。当时,美国的结构设计理论的发展和工程教育,都远逊于欧洲大陆。库尔曼有着与生俱来的严谨,又接受了当时优于美洲大陆和英国的工程教育,不难想象当他看到生机勃勃的美国,一方面受过高等工程教育的工程师严重不足,一方面则在铺设更长里程的铁路,架设更大跨度的桥梁时,所感受到的冲击。


不过,这个冲击对库尔曼的影响是积极的。根据ETH档案资料,库尔曼在这两年的游学考察中,积累了大量的文字记录和草图手稿。在此基础上,库尔曼整理发表了一份内容丰富的考察报告。他详细描述了当时美国应用十分广泛的桁架桥,对各种不同形式的桁梁给出了自己的认识和判断;他也参观了多座悬索桥,认为悬索桥采用精心设计的加劲桁梁,能够有效减小挠度,从而满足大跨度铁路桥的刚度要求。这些观点充分反映了库尔曼对桥梁工程发展的敏锐观察和前瞻视野。铁木辛柯在《材料强度历史》(History of Strength of Materials)一书中,认为库尔曼的考察报告,在很大程度上促进了当时德国的结构理论和桥梁工程的发展。可以认为,这也是库尔曼问鼎ETH土木系掌门人的重量级砝码。


作为奠基人,库尔曼的个人经历和特质,决定了ETH土木系的基调。第一线工程实践的经历,使他在教学中十分重视知识的实际应用;两年的海外游学考察,使他能够向学生展示更为宽阔的学术视野。最初,库尔曼几乎包揽了土木系的全部专业课程教学。根据ETH的校史资料,库尔曼为学生讲授过的课程有:钢结构,桥梁施工,铁路施工,道路施工,水利工程等。库尔曼认为,“绘图是工程师的语言”,几何图解的思维方式,是对结构行为本身最直接、最自然的思考方式,因而也许是最简洁的结构分析方式。库尔曼对形象思维的执着,使他在教学中倾向于采用直观的几何方法求解力学问题。他的讲义系统整理后,产生了在ETH建校史上列为里程碑的成果——图解静力学。


图解静力学的两个基本概念,“力多边形”和“索多边形”不是库尔曼的首创。在他之前,法国学者拉密(Lame)做压力拱分析和庞斯莱特(Poncelet)做挡土墙受力分析时,力多边形和索多边形是他们的辅助工具。库尔曼1866年整理出版的《图解静力学》一书中,系统归纳整理了当时在结构静力分析中的各种几何图解方法,拓展了这两个基本辅助工具的运用范围,使其成为普遍的结构分析工具。库尔曼用作图法探讨梁的二向应力状态,证明可以通过应力圆找出最大剪应力所在平面。这项工作后来由他的学生莫尔(Mohr)进一步发展,推导出梁的正应力和剪应力的关系公式,用作推导的图形称为应力圆,也就是莫尔圆。


库尔曼用几何方法研究结构力学行为的理念,贯穿在他ETH近三十年的教学生涯。在1881年,他因心脏病辞世,ETH聘用了两位教授作为他的继任,其中之一是他的弟子威廉·里特。


承上启下的名师——威廉·里特



威廉·里特


关于威廉·里特(Wilhelm Ritter),能够找到的生平介绍很少。即使是ETH的校史档案,也几乎没有威廉·里特的相关记载。从有限的资料得知,威廉·里特1847年出生在德国一个普通的教师家庭。他在家乡念完预科,1865年考入ETH。1868年,在20位土木系毕业生中,里特名列第一。


从ETH毕业后,里特前往匈牙利参加铁路建设,这成为他职业生涯中仅有的全职工程实践经历。一年后,应库尔曼的邀请,里特回到ETH,担任库尔曼的助教,并在很短时间成为土木系和建筑系的讲师。可以相信,在这对师徒共事的时间里,里特是库尔曼的得力助手,库尔曼也很赏识这位年轻的助理。1873年,经库尔曼的大力推荐,里特应聘到刚成立不久的里加理工学院(Riga Polytechnicum,成立于1862年,是第一所俄罗斯皇家理工学院。现属拉脱维亚)担任教授。对于时年26岁的年轻学者,这是极高的荣誉。


在里加的8年,里特置身于一个快速工业化的城市。ETH毕业生的背景,导师库尔曼的影响力,以及他自身的才干和学识,饱满的工作热情和对事业的不懈追求,使得里特在异国他乡迅速建立起自己的个人声望,同时成为当地学术界和工程界的领军人物。1 8 8 2 年, E T H 召唤里特回到苏黎世,为母校效力时,里特不再是刚出校门的青涩学子,也不再是导师库尔曼羽翼下的年轻学者。里特是作为里加理工学院土木工程系的系主任,作为重要学术杂志总编辑和主要技术文章撰稿作者,作为在欧洲结构工程学术界有了自己一席之地的知名学者,回到母校接替导师的工作,完成导师未竟的事业。


库尔曼和里特,这一对师徒,这两位ETH土木系第一和第二任系主任,在ETH留下一段师徒之间的提携与继承的佳话,也在图解静力学领域,最好地演绎和诠释了创新与传承。


历史上有过许多在探索的道路上一路狂奔的天才,他们只顾开拓,只顾独自享受创造的快乐,而将实用置之不理。虽然这种现象最常出现在艺术领域,不过在技术发展史中也很常见,比如说特斯拉。诚然,库尔曼不是一位只顾探索理论而忽视实用的发明家,他的工程实践背景,使得他从一开始,就为图解静力学确立了实用的定位。然而他在ETH的繁杂工作,他在学生教学、学校管理等方面的多重职位,使得他没能够在自己的有生之年完成图解静力学的实用教材。幸亏有里特,有库尔曼自己一手培养、提携、托举起来的里特!


由库尔曼用德文所著的《图解静力学》第一卷,第一版于1866年问世,1875年在苏黎世出版修订版,五年后(1880年)法文本在巴黎问世。在修订版的序言中,库尔曼乐观地期望,《图解静力学》第二卷能够在两年内出版。然而,库尔曼未能如愿。库尔曼的《图解静力学》第二卷会包括哪些内容,人们也不得而知。在第一卷里,库尔曼讲解了投影几何学、矢量运算、弹性体等内容,这些都是图解静力学和结构分析的基本概念。应用几何作图求解结构内力的具体方法,是在库尔曼离世后的20年间,由里特陆续编辑写成,分四册,用《图解静力学应用》的书名出版。在这四册书的封面,库尔曼是作者,里特是编者。


里特在1888年出版的《图解静力学应用》第一册序言中,开篇就充满深情地引用了库尔曼在第一卷里,期望第二卷能够在两年内问世的原话。接着,里特说明,库尔曼在生前对第二卷的构架和内容都做了大量的工作,遗留的草稿包含许多原创的概念,零星的陈述和散乱的草图。也许是由于部分原稿的遗失,原始资料十分杂乱,许多运算和草图没有注释,使得第二卷的编辑十分困难。许多时候,编者(里特本人)不得不越俎代庖,根据自己的理解和思路完成书稿,使之逻辑清晰,内容完整。按照计划,《图解静力学应用》将分为5册出版,分别讲述应用图解静力法求解简支梁、桁架、连续梁、拱和挡土墙。遗憾的是,里特也没能如愿完成全部计划,第四册于1906年初在苏黎世出版,当时里特已经因病卧床,不久辞世。《图解静力学应用》第五册终究未能问世。另一个遗憾是,库尔曼的《图解静力学》和后来由里特完成的四册《图解静力学应用》,都没有出过英文译本。


库尔曼是伟大的,他以工程师的眼光理解力学家的图解静力学和数学家的投影几何,使之成为结构分析的实用工具;他对里特的提携,为自己的传承者提供了高度,也为自己思想的传承提升了影响力。不能托举后辈的前人,纵然伟大,他的影响力总归有限。里特因为库尔曼的提携,得以在学术和影响力两个方面都站在了导师的肩上,因而有了更为宽阔的发展空间,最终使图解静力学得以持续发展,成为结构分析的利器。


萨基纳陶伯(Salginatobel)桥的设计师罗伯特·梅拉特(Robert Maillart),ETH1894年毕业生,里特的学生


乔治华盛顿大桥和韦拉扎诺海峡桥( George Washington Bridge, Verrazano-Narrows Bridge,)的设计师奥斯马·安曼(OthmarAmmann),ETH1902年毕业生,里特的学生


ETH的学生是幸运的,图解静力学这门课程,就像武林中的独门秘籍,让他们以有别于其他结构工程设计师的透视角度,去观察、想象、设计结构,处理结构与空间、结构与重力的关系。ETH也是幸运的,在建校的最初五十年间,有库尔曼和里特这一对师徒对土木系的贡献,使得学生们在此后的职业生涯中,用自己独创的结构,为母校树起了一座座丰碑。


名桥——ETH的丰碑



北罗达桥和阿拉米略桥(Bac de Roda Bridge和Puente del Alamillo Bridge)的设计师卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava),1975年在ETH土木系研修第二学位,并于1981年获得该校建筑系的博士学位


桑尼伯格桥和甘特桥(Suniberg bridge and Ganter Bridge)的设计师克里斯蒂安·梅恩(Christian Menn),ETH1950年毕业生


如果说,一个人度过童年的地方,是他永久的故乡;那么大学就是工程师职业的故乡。如果把母校比喻为大地,那么毕业生就是大地上生长的大树小草,用自己的成长装点母校的美丽。150年过去了,图解静力学一直是ETH土木系和建筑系的本科生课程。ETH土木系和建筑系毕业的工程师,似乎有一种潜能,特别擅长用石头、钢筋混凝土、木材和钢材等源于自然的材料,将人类意识中的真与美用结构表现出来。


这些大桥,除了奥斯马·安曼设计的乔治华盛顿大桥是上个世纪的第一座跨度超过千米的大桥外,似乎都与“世界之最”无缘。然而可以说,这些大桥都是最美、最和谐的,它们是大自然中天堑的连接,也是人类与自然的联结。




编辑:陈晨

美编:落曦

审校:廖玲


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