环境工程概论 第一章工程学总论 第一节工程学是怎样的一门科学 、工程学及其与基础科学的关系 人类的一切科学活动不外乎有两个目的:一是认识自然,一是适应自然、保护自然 和改造自然。前者对应着自然科学中的基础科学,也称为理学,后者则对应着自然科学 中的工程技术科学,也称为工程学或工学:工程学和基础科学之间的这种目的的差异是 它们相互区别的根本所在,也反应了这二大学科的变质所在。 现在,我们可以更具体地描述工程学了。工程学是人类以适应自然,保护自然和改 造自然为目的的一切实践中所积累起来的知识和经验的总和,一切有关自然科学的学问 只要是以这一目的出发的,都属于工程学,基础科学只要跨过仅仅解释自然现象这道门 槛,便进入了工程学的领域。 在整个人类知识的演化过程中,工程技术科学的发展先于基础科学的发展,在新石 器时代,人类就学会了制造一些简单的工具来增加自己适应自然的能力。早期的人类对 自然的认识是非常模糊的,但是随着人类对自然的适应能力和改造能力的进一步提高 人类对自然的认识也越来越广泛和深入。早期的理学家苦思冥想世界的本原,阐述着自 然界的各种神秘现象。有一批基础科学是从工程技术领域中抽象和分化出来的。如几何 学便是在人类的营造活动中积累起来的,化学则产生于古代的香水制造和练金术。 但是基础科学一旦形成便成为强大的力量源泉。自此以后,基础科学和工程技术相 互促进,相互牵连。工程技术的发展提高了基础科学研究的实验手段,并为基础科学的 研究提供新的方向和理依据。大体上,在公元1850年以前,工程技术科学对基础科学的 依赖性并不很强,两者相对比较独立。到了公元1850年以后,工程技术的进步则日益依 赖于基础科学的进步,基础科学的原理直接推动着工程技术的发展,至此,工程技术科 学便成为了应用科学 、工程学的类别 假如学科的分类按其包容的范围来划分,那么工程学是和基础科学并列的一门学科。 整个科学由自然科学和社会科学组成,而自然科学又是由基础科学和工程技术科学(即工 程学)所组成。整个工程学的组成也非常庞大。现在工程学已经分化为几乎涉及包括工业 农业、医学、军事和环境保护以及日常生活在内的所有领域,工程技术科学的发展标志 着人类征服自然、改造自然、适应自然和保护自然的能力的扩大。 工程学的主要分支学科有:农业、林业工程、水力电力工程、土木建筑工程、电子 及计算机工程、机械工程、化学工程、仿生及生物工程、环境工程、海洋工程、医药工 程、航天航空工程、军事工程。 第二节工程学的方法论 尽管工程学是一门庞大的知识体系,然而它与基础科学以及社会科学相比有它自身 的一些方法与原则。掌握这些方法原则便可涉足科学领域。 解决工程问题的基本方法和步骤 在工程学项目中,有两个层次的问题:(1)应用研究,即怎样将基础科学的领域的原
环境工程概论 1 第一章工程学总论 第一节 工程学是怎样的一门科学 一、工程学及其与基础科学的关系 人类的一切科学活动不外乎有两个目的：一是认识自然，一是适应自然、保护自然 和改造自然。前者对应着自然科学中的基础科学，也称为理学，后者则对应着自然科学 中的工程技术科学，也称为工程学或工学；工程学和基础科学之间的这种目的的差异是 它们相互区别的根本所在，也反应了这二大学科的变质所在。 现在，我们可以更具体地描述工程学了。工程学是人类以适应自然，保护自然和改 造自然为目的的一切实践中所积累起来的知识和经验的总和，一切有关自然科学的学问 只要是以这一目的出发的，都属于工程学，基础科学只要跨过仅仅解释自然现象这道门 槛，便进入了工程学的领域。 在整个人类知识的演化过程中，工程技术科学的发展先于基础科学的发展，在新石 器时代，人类就学会了制造一些简单的工具来增加自己适应自然的能力。早期的人类对 自然的认识是非常模糊的，但是随着人类对自然的适应能力和改造能力的进一步提高， 人类对自然的认识也越来越广泛和深入。早期的理学家苦思冥想世界的本原，阐述着自 然界的各种神秘现象。有一批基础科学是从工程技术领域中抽象和分化出来的。如几何 学便是在人类的营造活动中积累起来的，化学则产生于古代的香水制造和练金术。 但是基础科学一旦形成便成为强大的力量源泉。自此以后，基础科学和工程技术相 互促进，相互牵连。工程技术的发展提高了基础科学研究的实验手段，并为基础科学的 研究提供新的方向和理依据。大体上，在公元 1850 年以前，工程技术科学对基础科学的 依赖性并不很强，两者相对比较独立。到了公元 1850 年以后，工程技术的进步则日益依 赖于基础科学的进步，基础科学的原理直接推动着工程技术的发展，至此，工程技术科 学便成为了应用科学。 二、工程学的类别 假如学科的分类按其包容的范围来划分，那么工程学是和基础科学并列的一门学科。 整个科学由自然科学和社会科学组成，而自然科学又是由基础科学和工程技术科学(即工 程学)所组成。整个工程学的组成也非常庞大。现在工程学已经分化为几乎涉及包括工业、 农业、医学、军事和环境保护以及日常生活在内的所有领域，工程技术科学的发展标志 着人类征服自然、改造自然、适应自然和保护自然的能力的扩大。 工程学的主要分支学科有：农业、林业工程、水力电力工程、土木建筑工程、电子 及计算机工程、机械工程、化学工程、仿生及生物工程、环境工程、海洋工程、医药工 程、航天航空工程、军事工程。 第二节 工程学的方法论 尽管工程学是一门庞大的知识体系，然而它与基础科学以及社会科学相比有它自身 的一些方法与原则。掌握这些方法原则便可涉足科学领域。 一、解决工程问题的基本方法和步骤 在工程学项目中，有两个层次的问题：(1)应用研究，即怎样将基础科学的领域的原
环境工程概论 理应用到工程学项目中去。基础科学研究的对象和工程实践接触的对象往往有很大差别, 接基础科学研究的对象总是抽象的、理想的或单一的状态,而在工程学领域中,所接触 到的总是非常复杂的对象,这一点也是基础科学和应用科学的一个重要区别。因此,如 果对基础科学的研究成果进行修正,或者把各种基础科学的知识综合起来,应用到工程 实践中去,必须进行应用研究。(2)工程设计和施工制造,即如何将应用研究成果付诸于 工程实施。应用研究仅仅产生一个合理的构想,技术路线和工艺(包括合理的设计参数与 规范),要使之付诸实施,还必须进行工程设计。工程设计的成果是完整的,工程设计图 纸以及工艺操作规程。施工制造则是把规程设计进一步物化、实施。 解决工程问题的一般方法和步骤: (1)首先要对需要解决的问题进行细致的分析,即确定项目和效用,这个问题是新问 题还是旧问题,如果是新问题,则是否有相近的资料可供参考,解决这一新问题的关键 在哪里。 (2)草拟解决问题的各种方案和措施。这一步骤是最为重要的步骤。创新的想法就产 生在这一阶段。在这一阶段上,工程技术人员要凭借已获得的知识和经验大胆设想和创 新。各种方案和措施都必须合乎基础科学原理和应用研究的结论。有些新方案的确定需 要进一步进行应用研究,经过小试、中试,甚至生产性实验。 (3)对各种方案进行比较、筛选和综合。方案的比较考虑的原则有:该方案是否创新, 是否经济可靠,经济性要包括社会效益、环境效益和经济效益在内,最后根据这些进行 和审议,确定最佳方案。 (4)对最优方案进行项目设计。设计范围初步设计、扩初设计和施工图设计三个步骤 初步设计是对方案的进一步具体化,对关键性部分进行计算,初步设计完成后进行评价 和审核。扩初设计是在初步设计的基础上进行详细的计算和完整的设计,有了初步设计 了,就可以估算工程的投资与造价。但扩初设计的成果还不能付诸实施,还必须补充各 种细节,这就是施工图设计。在有些场合,初步设计可以省略。这要看具体规程规模的 大小,是否常见的规程或者设计者对该项设计是否熟悉来确定。在每一步骤中,都会碰 到一些新问题,必须查找一些相关资料或进行应用研究和工程实验。大部分定型的技术 措施或参数都有国家颁布的标准图件、手册,供查找、选用。 二、解决工程问题必须考虑的原则 (1)效用原则:这一原则就是在研究和设计某以工程学项目时,必须首先考虑到这 项目的效用。正是这条原则,体现了工程技术科学的实用性,工程项目必须具有很强的 实用性。无论是应用研究还是工程设计都必须考虑到工程效用,如在建造某座大坝以前 必须确立纯粹是为了水力的目的还是为了发电的目的。 (2)合理的原则:在研究和设计某一工程学项目规程中,采用的工艺方法,设计参数 必须要有科学的依据,符合科学原理。应用研究必须符合基础科学的原理,规程设计则 必须符合应用研究的成果。 (3)创新原则;工程技术的构想必须体现创新性,在原来的基础上有所创新和提高, 尤其是应用研究更加体现这一原则,没有创新便没有进步,要时刻注视各类基础学科的 进展,不断地吸取最新成果。 (4)可靠性原则;工程技术项目必须具有可靠的技术性能,否则会造成很大的经济损
环境工程概论 2 理应用到工程学项目中去。基础科学研究的对象和工程实践接触的对象往往有很大差别， 接基础科学研究的对象总是抽象的、理想的或单一的状态，而在工程学领域中，所接触 到的总是非常复杂的对象，这一点也是基础科学和应用科学的一个重要区别。因此，如 果对基础科学的研究成果进行修正，或者把各种基础科学的知识综合起来，应用到工程 实践中去，必须进行应用研究。(2)工程设计和施工制造，即如何将应用研究成果付诸于 工程实施。应用研究仅仅产生一个合理的构想，技术路线和工艺(包括合理的设计参数与 规范)，要使之付诸实施，还必须进行工程设计。工程设计的成果是完整的，工程设计图 纸以及工艺操作规程。施工制造则是把规程设计进一步物化、实施。 解决工程问题的一般方法和步骤： (1)首先要对需要解决的问题进行细致的分析，即确定项目和效用，这个问题是新问 题还是旧问题，如果是新问题，则是否有相近的资料可供参考，解决这一新问题的关键 在哪里。 (2)草拟解决问题的各种方案和措施。这一步骤是最为重要的步骤。创新的想法就产 生在这一阶段。在这一阶段上，工程技术人员要凭借已获得的知识和经验大胆设想和创 新。各种方案和措施都必须合乎基础科学原理和应用研究的结论。有些新方案的确定需 要进一步进行应用研究，经过小试、中试，甚至生产性实验。 (3)对各种方案进行比较、筛选和综合。方案的比较考虑的原则有：该方案是否创新， 是否经济可靠，经济性要包括社会效益、环境效益和经济效益在内，最后根据这些进行 ‘和审议，确定最佳方案。 (4)对最优方案进行项目设计。设计范围初步设计、扩初设计和施工图设计三个步骤， 初步设计是对方案的进一步具体化，对关键性部分进行计算，初步设计完成后进行评价 和审核。扩初设计是在初步设计的基础上进行详细的计算和完整的设计，有了初步设计 了，就可以估算工程的投资与造价。但扩初设计的成果还不能付诸实施，还必须补充各 种细节，这就是施工图设计。在有些场合，初步设计可以省略。这要看具体规程规模的 大小，是否常见的规程或者设计者对该项设计是否熟悉来确定。在每一步骤中，都会碰 到一些新问题，必须查找一些相关资料或进行应用研究和工程实验。大部分定型的技术 措施或参数都有国家颁布的标准图件、手册，供查找、选用。 二、解决工程问题必须考虑的原则 (1)效用原则：这一原则就是在研究和设计某以工程学项目时，必须首先考虑到这一 项目的效用。正是这条原则，体现了工程技术科学的实用性，工程项目必须具有很强的 实用性。无论是应用研究还是工程设计都必须考虑到工程效用，如在建造某座大坝以前， 必须确立纯粹是为了水力的目的还是为了发电的目的。 (2)合理的原则：在研究和设计某一工程学项目规程中，采用的工艺方法，设计参数 必须要有科学的依据，符合科学原理。应用研究必须符合基础科学的原理，规程设计则 必须符合应用研究的成果。 (3)创新原则；工程技术的构想必须体现创新性，在原来的基础上有所创新和提高， 尤其是应用研究更加体现这一原则，没有创新便没有进步，要时刻注视各类基础学科的 进展，不断地吸取最新成果。 (4)可靠性原则；工程技术项目必须具有可靠的技术性能，否则会造成很大的经济损
环境工程概论 失。尤其是一些大型的工程项目(如供水、供电、大坝、道路、桥梁、航空航天以及环境 工程)。因为,一旦技术上出现了故障,非但造成巨大的经济损失,而且会造成社会的混 乱,甚至给人民的生活带来灾难。工程设计中也专门有一种可靠性设计法,以可靠性作 为设计的目标。 (5)可行性原则:分为技术可行性和经济可行性两种。技术可行性是指必须满足施 工和制造上的可行及技术路线与工艺设计必须和现有施工制造水平、操作条件相符合 如悉尼歌剧院的建造就因力学计算及施工问题没有解决而拖延了几十年。经济可行性是 指在保证满足以上4原则的前提线,尽快能地做到投资再省、效益最高。这一效益要兼 顾到经济效益、社会效益和环境效益,系统工程与最优化设计的最主要目的之一就是保 证工程技术项目的经济性
环境工程概论 3 失。尤其是一些大型的工程项目(如供水、供电、大坝、道路、桥梁、航空航天以及环境 工程)。因为，一旦技术上出现了故障，非但造成巨大的经济损失，而且会造成社会的混 乱，甚至给人民的生活带来灾难。工程设计中 也专门有一种可靠性设计法，以可靠性作 为设计的目标。 (5) 可行性原则：分为技术可行性和经济可行性两种。技术可行性是指必须满足施 工和制造上的可行及技术路线与工艺设计必须和现有施工制造水平、操作条件相符合。 如悉尼歌剧院的建造就因力学计算及施工问题没有解决而拖延了几十年。经济可行性是 指在保证满足以上 4 原则的前提线，尽快能地做到投资再省、效益最高。这一效益要兼 顾到经济效益、社会效益和环境效益，系统工程与最优化设计的最主要目的之一就是保 证工程技术项目的经济性