美國橋樑工程及新書漫談

美國馬里蘭大學土木工程系 傅崇基教授 (B57校友)

個人於1972年畢業臺大土木系,役畢後赴美國馬里蘭大學土木工程系先後取得碩士及博士學位,畢業後曾服務位於馬里蘭州的貝泰 (Bechtel) 公司,1987年返回馬大任教迄今。現執教馬里蘭大學土木工程系兼負責橋樑軟體及技術中心 (BEST, Bridge Engineering Software and Technology Center, University of Maryland http://best.umd.edu/)。

大半生從事橋樑工程,2015年發行了「橋樑結構計算機分析及設計」(Computational Analysis and Design of Bridge Structures) 一書,在同學慫恿下,謹以本文與校友們分享個人在美國橋樑工程工作及近兩年出書之經驗。

傅崇基教授著作「橋樑結構計算機分析及設計」

公路橋樑可說是公路交通的樞鈕,也是最易受損 (vulnerable) 的關鍵結構。每次大地震過後,首先報導的是多少橋樑受到損傷。近代信息工程 (IT) 借用了大量土木工程術語,如網路 (network)、節點 (node)、流量 (traffic flow) 及橋接 (bridge) 等。橋樑也經常被稱為車流瓶頸 (bottleneck) 。

以美國為例,2017為止毎兩年上報聯邦20呎以上橋樑共615,000座,平均年齡約46歲。橋樑工程是結構工程重要的一支。非製造業、非國防工業,更接近民生 (civil) 工業。結構工程師出路很多,據年度報導,以美國2017 實際工程數字為例,基礎設施工程 (infrastructure)比例約佔總建築 (construction) 市場24% ($295 vs $1246 billion)。其中公路設施 (包含橋樑、隧道、道路)、 能源及其他 (包含機場、鐵路、輸水、下水道、通訊等) 三分基礎設施工程市場 (7.2% vs 7.7% vs 8.8%)。

在中國大陸因總體經濟及市場需求,在許多大學早已設立橋樑系以培育橋樑專才。在美國和臺灣橋樑工程則是土木的一支,大學部培養土木通才。筆者認為在大學本科廣泛學習瞭解自己的興趣,在研究生階段再選擇專業,無需早早局限自己,是為良策。美國大學生經常在二三年級才決定走向。個人多年在馬里蘭大學土木工程初識課 (Civil Engineering 101) 介紹結構工程,簡介全球超高樓及超長橋,臺北101大樓也涵蓋其中。多年後數次遇見畢業學生説「老師,就是聽你課那段介紹,我選擇了土木 (或結構、或橋樑) 工程!」。

但以美國而言,制式橋樑佔了95%,超長大橋設計只佔了所有橋樑工作的百分之一左右,再加上需多年經驗,初入行運氣好者説不定可以跟著前輩學習大橋經驗,運氣稍差者也可能終生無緣。建築結構多為一次到位,除了維修和拆除,很少再看一眼。筆者多年前從事核電工程,依法每年須因應核能監管當局規定維修,倒是的特殊例子。但橋樑為公共工程,據美國法律每兩年需要檢查 (inspect) 一次,縱使是走馬看花,全美20呎以上的橋樑也有60萬座以上。一方面固然是重複性的常規工作 (routine work),但一方面也是工作保障 (job security)。

維護結構穩定、安全是每個橋樑工程師的天責。筆者近三十年年從事橋樑工程,有幸接觸到不少大橋,但在美國多數只是參與了全程的部分,以分析為主。相對而言,中國大學參與大橋工程範圍較廣,甚至整項工程包給大學相關研究院。美臺因工程顧問產業 (Engineering consulting business) 較為發達、完整以及責任問題 (liability),大小工程之設計及施工皆由民間負責。學校方向是以研發為主,美其名曰不與民爭利。

筆者既然從事橋樑工程多年,也發表了不少論文,累積了一定的知識,書商便找上門來了!希望出版一本非依規範分析設計、全球皆通的橋樑書。經過一位英國書商代表五年來咨咨不倦,甚至結為朋友的情商下,衝動之餘,走上了寫書不歸路。

也在此漫談些寫書的血淚史 (哦!不對!是甘苦談!) 第一,要賺錢别來!三年來,賠上了幾乎一半時間,再加上一位共同作者,多位研究生,甚至自家孩子們也上陣審稿使英文能更口語化些 (好處是雖然孩子看不懂內容,至少知道父親是從事什麼工作),事後所得不夠付一人薪水。別把自己當瓊瑤!要賺錢另找門路吧!
笫二,找個好共同作者,理念要一致。我的共同作者出身名門、上海同濟大學橋樑工程系 (中國大陸土木尤其橋樑排名第一) 又曾為馬大訪問學者,有共同理念,可為互補。我負責收集美國及中國我曾工作過的橋樑。他負責同濟大學他曾負責分析的超長大橋,譬如當年世界第一 (現第二) 長斜拉橋的蘇通大橋。有時也遇到些阻礙,譬如說想取得當年排名前三、現排名世界第十一名懸索橋的長江江陰大橋 (1385公尺) 圖紙,但因為重大工程圖纸保密未能取得,只好以手邊馬利蘭州的 Chesapeake Bay Bridge (488公尺) 為懸索橋代表。說起來此橋也曾風光一時,曾幾何時已在百大之外!

Chesapeake Bay大橋實景

Chesapeake Bay大橋三維有限元模型

第三,作者最好是學校老師。寫一本書非一蹴可幾,需多年研發的累積,時間金錢上學校稍佔優勢。當然、有豐富實務工作者,工作之餘,想調劑一下 (或是想不開)也可試試。

第四是熬得起!這本書熬了我三個年頭,內在加上外在因素,有高潮也有低潮,要有毅力(perseverance) 及能堅持 (persistence)。

本書分兩大部分。第一部分簡介橋樑及分析方法 (有限元素法),漸進入由小到大各式橋樑:混凝土、預力混凝土、鋼梁及箱型直彎橋,衍架橋,拱橋,進入近代大型斜拉橋及懸索橋 (均為拉索橋)。第二部分為橋樑重大問題 (issues),經常選為研究課題,包含橋樑穩定研究 (缐性及非線性屈曲),缐性及非缐性動力及地震分析等等。関於本書的簡介,請參考書商網站:
https://www.taylorfrancis.com/books/9781466579859  (Computational Analysis and Design of Bridge Structures)
總結經驗,人家問我寫書感覺如何,我是覺得「值了」!一生堅守土木專業,如今雖然只是著作等「腳」,但也不負母校師長教導及母系培育之恩了!


作者夫婦攝於港珠澳大橋開通前