《工程、設計與人性》第1章試閱
１ 身為人
1981年，堪薩斯城（Kansas City）的凱悅飯店（Hyatt Regency Hotel）天橋坍塌事件發生之後不久，有位鄰居問我，怎麼可能發生這種事？他很訝異，工程師對於如何建造天橋這麼簡單的建築，難道了解得還不夠多嗎？此外，他還列舉了塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge）坍塌、美國航空公司（American Airlines）DC-10客機在芝加哥墜毀，以及其他人們耳熟能詳的失敗例子，同時還加上他聽說的，假如核電廠發生意外事故，想必會比三哩島（Three Mile Island）輻射外洩還嚴重──彷彿是要說，工程師對於他們所創造出來的世界似乎無法掌控，這是再明顯不過的事。
雖然我告訴這位鄰居，要預測工程結構的強度與性能，並不是乍看之下那麼簡單、明確，但我覺得，以我抽象的歸納與含糊的道歉，根本無法說服對方。當他回頭繼續整理菜園，而我走回家時，心裏暗自承認，由於我並未跟他說明工程究竟是什麼，因此根本沒有解答對方的疑問。既然我沒能做到這點，就不能奢望對方理解，工程產物可能會出什麼差錯。自從凱悅飯店事故發生以來，我一直在揣摩，下一次面對愛追根究柢的外行人時，要如何解釋種種令人難堪的技術問題，同時我也不斷在深奧的專業領域，以及日常事物中尋找實例。不過，我從中了解到，無論這些例子有多生動，都比不上利用成堆的桁梁造一座橋，能夠說明一切。
工程（設計）所著眼的，主要是工程師親手創造的世界，而不是已知的世界。但由於人類社會的結構涉及瞬息萬變的演化，因此那個世界並不像歷經無數代蜜蜂卻始終如一的蜂巢設計那般一成不變。儘管有人會說，人們就是喜歡改變啊，光是這個理由就夠了。但事情並不那麼單純，原因在於，人的品味、資源，還有野心都會變。人類喜歡建築像藝術一般時髦，當我們富裕時喜歡奢侈，當時機不太好時，就會節省一點。此外，我們喜歡更大、更高、更長的東西，而蜜蜂既不會，也不能這樣。這一切額外的設計考量，都使得工程師的工作比昆蟲來得更刺激，當然也比較不那麼死板。可是這種經常的變化，也為工程結構設計與分析帶來比樸拙大自然結構更多的面向，而瞬息萬變所意味的，則是更可能出現種種差錯。
工程是一種人為的產物，因此很容易出錯。有些工程錯誤只是很惱人，例如，當一棟混凝土新建築蓋好時，卻出現有損其完美的裂痕；有些則是不可原諒的人為錯誤，例如，當一座橋梁坍塌，使得完全相信它是安全的人因而喪命。每個年代都有技術上的困擾與結構災難，你也許會以為，如今工程師大概已經從錯誤中學到了教訓，並知道要如何避免錯誤。但是，就人命、不幸與焦慮而言，近年來我們目睹了一些代價最慘重的結構事故，以致令人對於科技進步感到十分困惑，有些人會質疑：「這樣能算是進步嗎？」
各式各樣的科技災難可能是我們這個時代所特有的，但是工程產物的失敗，從歷史上看卻是稀鬆平常。將近4000年前，也就是在巴比倫第一王朝（the First Dynasty of Babylon）的第六位統治者之後，有些巴比倫法律判決經過集結，而形成後來眾所周知的漢摩拉比法典（the Code of Hammurabi）。其中包含了以古楔形文字刻成的近三百條碑文，規定諸如女性地位，還有禁酒等事項，而其中有幾條則是和住宅營造，以及民房安全責任有直接的關係：
如果一個營造商為人建造房屋，但蓋得並不牢固，以致房屋坍塌，造成屋主喪生，那麼這個營造商將被處以死刑。
如果因此造成屋主的兒子死亡，那麼這個營造商的一個兒子將被處死。
如果因此導致屋主的某個奴隸死亡，那麼營造商要賠償對方一個身價相當的奴隸。
如果因此造成財產損失，營造商應負責把任何毀壞的物件恢復原狀，而因為是他沒有把房屋蓋得牢固才導致坍塌，他必須自費重建已坍塌的房屋。
如果營造商為人蓋房子，但並未使建築達到要求，以致牆壁塌陷，那麼營造商就得自費補強這面牆壁。
這與凱悅飯店天橋坍塌的事件截然不同，事後有人發現，天橋的強度遠不如堪薩斯城建築法規（Building Code）的要求。而事件發生之後幾個月，在專家七嘴八舌的意見之下，提出的訴訟賠償金額高達30億美元。後來，事故發生當晚在飯店的人都接獲1,000美元的出價，要他們簽字放棄後續對於建商、飯店，或是任何其他可能的被告的一切索賠。而大家對於凱悅飯店事故相關人等究竟是有罪還是無罪，至今仍莫衷一是。歷經了20個月的調查後，美國聯邦地方法院總檢察官，以及密蘇里州傑克遜郡（Jackson County）檢察官共同宣布，他們並未發現有關此事故的犯罪證據。然而，密蘇里州首席檢察官卻有不同的看法，他以「重大過失」的罪名，來控告這些工程師。雖然這些工程師不會丟了性命，但是可能會被吊銷專業證照；然而，當我在事故的三年後撰寫這本書時，法院仍未做出裁決。
堪薩斯城的悲劇之所以會成為頭版新聞，是因為它是美國歷史上死亡人數最多的建築物坍塌事件。而它會成為新聞這個事實，證明了在無數的建築物和結構體當中，雖然有許多在設計上和凱悅飯店一樣的獨特、大膽，但都是安全的。像在英、美等科技先進國，在某個特定年限內，特定的鋼筋混凝土或鋼骨建築的預估失敗機率，大約在百萬到百兆分之一；而因結構失效所導致的死亡機率，每年約為千萬分之一。這相當於在美國境內，一年約有25人喪生；因此，單是在堪薩斯城的一場事故中，便有114人喪生，確實稱得上是新聞。
儘管每年有五萬個美國人因車禍而死亡，但由於在大多數情況下，每次只有一、兩個人喪生，因此不會驚動整個社會。似乎唯有在週末假期時，當車禍累積死亡人數達到百人以上時，我們才會體認到其嚴重性。另外，要是車禍登上了頭版，或是晚間新聞，通常是因為涉及的人數特別多，或是裏面有名人。不過也有例外，例如出車禍的是名犬，有一句很適用的諺語就是：「狗咬人不是新聞，人咬狗才是新聞。」
我們對陌生的事會感到既著迷，又不安。當飛行還是一種相對新鮮的科技時，許多人都因為怕墜機而避免搭飛機。即便是現在，飛行已經是一項成熟科技了，比較年長的一代還是會擔心飛航的安全卻不會覺得開車有任何風險。他們會彼此分享有關緊張兮兮的搭機旅客的老笑話，但對於搭飛機就像父母搭火車、開車一樣自然的年輕一代，卻根本聽不懂那笑話。他們才是理性的，因為儘管1979年DC-10客機在芝加哥墜毀，但是搭機「確實」很安全。那次事故發生之後兩年，聯邦航空總署（Federal Aviation Administration）宣布說，從1980到1981年這段期間，飛國內線的大型噴射客機從未發生死亡事故。而在那段期間內，有超過5億名旅客搭了上千萬個航班。經驗已經證明，人很能控管科技的風險。
不過，猶如戰爭所明示的，政府不僅重視財政與政體的健全，也很重視人命，而這些目標有時可能互相牴觸。工程設計結構對於人身安全，還有環境對於社會所造成的風險，往往與致力追求經濟發展相衝突。我們每天都是在生命安全以及金錢之間作取捨，例如，我們可能選擇開小型車而不是比較安全的中大型車。而採用安全帶、保險桿，以及廢氣排放裝置，都有助於降低風險，可是像這些進展，都是消費者付出高昂的代價換來的。猶如安全氣囊系統所證明的，這類的進步需要花更多時間，才能達到完美的境界，也會進一步提高車價。因此，為了要以合理的價格生產安全汽車，廠商和消費權倡議者之間，經常會呈現緊張的關係。
同樣的，在工程與公共安全上也是如此。雖然所有的橋梁和建築都能建得比目前穩固10倍，但無論是靠稅捐或是私人投資，花費都會大幅增加。因此，有些人會說，何必要穩固10倍？既然如今坍塌的橋梁和建築這麼少，就結構而言，穩固10倍顯然是矯枉過正，這樣一來，不僅會使得經濟緊縮，而且會讓我們的建築更笨重、龐大，整個環境風貌都會產生巨大改變。有人會說，不，10倍太多了！5倍怎樣？不過，大概也有人會認為，連5倍都太穩固了，只要希臘哲學家季諾（Zeno）主張兩分法悖論，大家就會為了到底是不變，還是強度提高5倍或10倍的數字爭論不休。然而，在開發程度較低的國家，也許沒有爭論風險或是討論矛盾的餘裕，因此你可以想像，他們的建築和鍋爐可能會以對我們來說很高的機率坍塌、爆炸。
儘管看來或許很冷酷，但結構可靠度的效果，不僅能以人的性命來估算，也能以物質來衡量。最近國家標準局（National Bureau of Standards）便在巴特爾哥倫布實驗室（Battelle Columbus Laboratories）的協助下，完成了一項相關研究。這項研究發現，包含眼鏡斷裂、公路路面龜裂、橋梁坍塌，還有機械故障等種種現象的毀壞，每年都會導致超過一千億美元的損失，而這不僅包括實際更換，也包括預期會更換的毀損零件成本，還有一開始便防範零件毀損的結構安全措施費用。而與這息息相關的，主要就是交通及營造業，這些費用有許多都源自──超規格設計，例如，把東西做得比所需要的還重，以防止斷裂；留意是否有裂縫產生等維修作業；以及為了預防坍塌，隨時保有備用零件，而投入相關的資本設備投資費用等等。1983年的報告進一步總結說，藉由更善用現有技術，並靠預期的未來研發提升斷裂控制技術，便能夠將與斷裂相關的花費降低一半。
為了了解工程師如何努力，以確保這類結構、機械及系統故障不會出現，也為了明白錯誤可能如何造成，還有可能造成重大影響的事故為何會發生，就有必要了解──起碼多多少少要了解──工程設計的本質。在設計的過程中，獲得改良的不光是科學家「已知世界」的種種部分，還有工程師的「人造世界」，這些改良組合成某種大自然所做不到的事物，也讓工程設計走出科學，跟藝術結合在一起。由於工程設計的實務所牽涉到的一些技術過程，就好比是詩人在白紙上寫詩、畫家在空白畫布上創作、或是作曲家在琴鍵上譜曲一樣，因此，了解並欣賞這個過程與設計的產物，也就像是去了解與欣賞一首詩、一幅畫，或是一首樂曲。事實上，我們每個人都曾經在小時候展現過藝術方面的創造力，讓我們的父母引以為傲；在我們成長的過程中，也都是先學著平衡自己的身體，然後再試著把積木堆得越來越高，因而體會過結構工程的本質。許久以前，我們就學會爬行、坐直，並在高高疊起但搖搖欲墜的積木之間蹣跚前進，也都學會不跌倒、不讓玻璃杯掉到地上，並且努力撐過最無聊的雞尾酒會。只要我們還能記得，自己蹣跚學步時，努力要在父母及親朋好友林立的長腿間站起來，那麼無論工程師在巴比倫是被稱為營造商也好，或是在洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）被稱作科學家也好，我們都能開始領會他們的使命與成就──因為他們所有的努力只有一個目標，那就是：讓不曾豎立的東西豎立起來，將大自然元素重組為新產物，而最重要的，便是在這一切努力當中避免失敗。
然而，人難免會犯錯，人所建造的東西當然也會出錯。因此，結構工程的歷史，說穿了就是廣泛的工程史，是由成功與失敗交織而成的。成功固然可喜，但我們往往能從失敗中學到更多。也正因為這樣，幾乎任何一種歷史都有名聞遐邇的錯誤，而這多半意味著嶄新的開始與成功。也許漢摩拉比法典對於提升可重建房屋的牢固程度，有一些貢獻，但是卻無法促使房屋進化，更別說是催生摩天樓和橋梁了，因為營造商哪能從法典中發現什麼誘因，以建造出自認為更好但從未建造過的房屋呢？這並不是說，應該授權工程師恣意實驗，而是要認清，無論在建築或藝術上，想要超越過去似乎是人的天性，至於工程設計則是人為的努力。
當我還是工程系的學生時，我很擔心畢業後可能必須負擔的責任。我很想知道，究竟要怎麼做，才能徹底確保自己設計的東西不會斷裂、坍塌，或甚至奪走別人的性命？我自覺對於課程教材的理解並不足夠，作業也常常出錯，而成績更不是科科都拿A。這困擾了我好一陣子，而令我納悶的是：為何同班的不管是拿A或是拿C的學生，似乎都不會有同樣的恐懼？然而，我們交談時從不觸及這話題，後來我藉著念研究所，而不是一畢業就當工程師，來逃避這個問題。從那時起，我便了解到，自己的顧慮在工程系學生中並不罕見，就算不是所有的學生，但確實有許多學生都體驗過對成功的自我懷疑，還有對失敗的恐懼。醫學院的學生會擔心病患死亡，而律師則會擔心輸掉重要的案件。不過，要是我們都想逃避源於各自工作與專業的恐懼，可能真正的恐懼和失敗真的會發生。也因此，我們盡可能孜孜不倦地練習所做的一切，希望能獲得最好的結果。起碼就工程而言，結構鮮少失效證明了一個事實，那就是：人縱使再大膽，也不願太過冒險。
既然這樣，問題就不該只是為何會發生結構意外，還應該要問，為什麼沒發生更多意外？統計資料顯示，占據頭條新聞的失敗工程，便如同其新聞價值所顯示的那樣罕見，可是要了解結構失效的風險為何不完全是零，就必須明白，要設計出前所未有的事物，究竟會有什麼獨特的工程問題。而藉由了解這點，我們不僅會明白，失敗的機率為何會這麼低，也會領悟到，要再降低這個機率可能有多困難。儘管就理論而言，是有可能使風險係數盡量趨近理想中的零，但無論是個人或群體所表現出來的人性，卻似乎阻撓著這種零風險社會的實現。
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