由塔科馬大橋事件 談軟件架構

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??? 經常，我們會涉及系統架構、面向對象的架構（SOA）、軟件架構等詞，那么到底什么是“架構”？什么是“軟件架構”？“系統架構”與“軟件架構”有著怎樣的區別和聯系？“系統架構構建”和“系統設計”之間有什么區別和聯系？
??? 本章帶著這些問題，追本溯源，對于架構及軟件架構的一些基本概念及發展歷程做一番說明。同時對一些人們認識上的誤區進行分析，以還原事物的真實面目。
?1.1? 引子
??? 時間就像一條奔騰不息的大河，大浪淘沙，方顯金石。翻開人類的建筑工程史，遍布世界各地，跨越幾千年的時空，我們可以看到許多輝煌成功的工程。但是，人們 往往最容易遺忘那些被歷史長河所淹沒的慘痛失敗。而實際上，人類建筑的偉大成就，就是建立在這一系列失敗的教訓之上。既然“失敗是成功之母”，那我們就以 一個有代表性的失敗工程，作為我們走向成功的基石和開始。這個慘痛的教訓，就是塔科馬大橋（Tacoma Narrows Bridge）。
如果您現在從西雅圖國際機場附近的塔科馬前往華盛頓州的奧林匹亞區，在16號公路上有一條必經之橋，它如同一道美麗的鋼架彩虹跨過了普及特海峽。這就是著名的塔科馬大橋。
??? 竣工于2007年的塔科馬大橋是目前世界上最長的懸索雙橋，橋長1600米，懸索跨度850米。這真可謂是一項令人贊嘆的偉大工程。但是，幾乎每一個橋梁 建筑設計人員都知道其大名的原因，并不是由于該橋像金門大橋那樣是橋梁史上最著名的大橋，而是由于其前身老塔科馬大橋（其綽號為Galloping Gertie）的倒坍，是橋梁史上最著名的失敗的緣故。
???? 老塔科馬大橋是普及特海峽上的第一座大橋，1938年11月開始建造，于1940年7月竣工，總耗資640萬美元，是當時世界第三長跨度的橋梁。因為先前 美國海軍考慮到附近海軍基地的需要，提供了部分建橋資金，并且舊金山金門大橋的設計者、著名的橋梁大師Joseph B. Strauss和Leon S. Moisseiff提供了設計咨詢意見。因此，老塔科馬大橋的竣工，使大橋成為了賓夕法尼亞州經濟及軍事的重要門戶。它被當時的媒體和橋梁行業美喻為“人 類堅定不移的獨創精神的結晶”。
???? 然而，大橋建成后不久，駕車跨越大橋的人們就發現該橋會隨風不停地左右搖擺。雖然橋中心線保持了相對的穩定，可是整個橋面兩側卻在上下起伏。這樣有趣的現 象竟吸引車輛排起了長隊，競相等待開上這座像醉漢一樣搖擺的索橋，去體會一下這奇妙的感覺。雖然橋梁設計師們也注意到了這樣的不穩定現象，但是他們信誓旦 旦地保證“橋梁是安全的”。
但是事實畢竟讓某些相關人員開始有些擔心，所以從1940年7月底開始，在華盛頓大學教授F.B. Farquharson的指導下，他們開始對橋梁的這種奇特振動開始進行研究。他們拍攝了大量的照片和影片，記錄下了大橋的振動方式，并且在試驗室里開始 進行一定規模的試驗，試圖找到相應的方法來有效地降低橋梁的振動。
??? 經過Farquharson教授所帶領團隊的觀測和試驗，最初的解決辦法是在橋梁正中央的橋底部，安裝一些鋼纜，把這些鋼纜從橋底固定到地面。可是在施工 過程中，這些鋼纜在風力拉動橋梁的作用力下完全斷裂，施工沒能成功。隨后，試驗人員又給出了一系列其他相應的固定橋梁的辦法。例如，在橋梁的側梁上鉆洞， 這樣可以減小風力對側梁的推拉力；或者在橋梁的側梁上安裝一些風力導流器，這樣可以減小陣風正面直接對側梁的推拉力。1940年11月初，橋梁的投資方最 終同意了這些加強措施，并且打算在接下來的幾周內完成施工。
??? 遺憾的是，這樣的決定來得太遲了，風平浪靜的假象下暗流涌動，甚至連F.B. Farquharson教授帶領的團隊也始料不及。
??? 11月7日清晨，順著海峽吹來越來越強勁的大風，大橋開始了人們熟悉的搖擺和振蕩。橋上車輛和行人依舊穿梭往來，享受著一如既往的那份愜意的晃動。9點 45分，大風時速達到了68公里。橋面上下交替晃動，兩側落差急速增加，最大時達到一米多，整個橋面仿佛成了過山車回旋的軌道一樣。當時 Farquharson教授帶領的團隊正在橋面中央拍攝大橋晃動的場景，以便為即將開始的大橋風力導流工程提供設計數據。他們拍攝到了一位記者 Leonard Coatsworth正在駕車載著自己的愛犬Tubby非常緩慢而愜意地穿過大橋，一對夫婦也駕駛一輛小型貨車緊隨在記者的車后。教授拍攝的影片所記錄該 景象的時間是10點13分左右。
???? 10點14分，整個橋面的起伏急劇增加，兩側落差最大時達到兩米多。數千噸重的鋼鐵大橋仿佛變成了一條抖動的緞帶，長長的波浪式起伏飄蕩在整體橋面上。情 況還在繼續惡化，整個橋面開始無規則地扭曲在一起，給在場的人一種強烈的恐懼感。事后Leonard Coatsworth敘述說：“當我剛剛開過橋頭進入大橋時，大橋就開始瘋狂地上下左右晃動起來。我意識到必須馬上停車，否則轎車就會完全失去控制。我用 力緊急停車，打開車門。可以說我是被扔出車廂的。我看到車子被強烈的晃動推得左右搖擺，并且我開始聽到了水泥斷裂的可怕聲音……”Leonard Coatsworth的愛犬Tubby也緊隨著主人跳下了車，車后的那對夫婦也急忙跳下自己失控的卡車。這一切都被在現場拍攝的Farquharson教 授看到并且記錄在影片中。當教授和所有行人安全地回到橋頭時，他們看到巍然屹立的大橋突然斷裂！束縛整個橋梁的鋼纜完全崩斷！整個橋面轟然倒塌！龐大的橋 體拍落到下方普及特海峽的水面上。橋面上Leonard Coatsworth和那對夫婦的車子也仿佛電影中的慢鏡頭一樣，隨同橋體落入海峽。整個事件從發生到結束沒有超過兩分鐘。目睹整個過程的所有人都驚得目 瞪口呆。可憐的小狗Tubby也一同掉落進普及特海峽，成為這次事故的唯一遇難者，所幸沒有其他人員傷亡。
1?? 940年11月7日早上11點15分（美國太平洋時間），塔科馬大橋轟然倒塌，如圖1-4所示。后人稱之為“橋梁建筑史上的珍珠港”。對普及特海峽來說， 倒塌的大橋也成為了世界上最大的人造礁石之一。1940年11月28日，美國海軍的水文辦公室報告稱，橋梁遺骸的地理坐標是 （47.16'00"N，122.33'00"W），深度180英尺（55 m）。
??? 當人們從大橋的倒塌事件中回過神后，工程設計人員開始分析大橋被風“吹”斷的原因。
首 先，大橋的施工質量是無可挑剔的：使用了高質量的板型鋼材及性能穩定的水泥，整個施工過程被嚴格監督。整個橋梁是用板型碳鋼大梁堅實地支撐著，大梁被深深 地固定在巨大混凝土橋墩上。但可惜的是，這樣看似設計完美的懸鎖橋，卻忽略了一個重要的問題：由于風力帶來的共振和扭力。可以理解，當時的橋梁工程還沒有 總結出這樣的設計實踐。
??? 在塔科馬大橋之前，世界上其他的懸索橋大多采用具有開放式孔格結構的大梁。這樣的大梁對風力的擾流效果很好，所以不會使風振的能量聚集。但是對于塔科馬大 橋這樣板型鋼質大梁的新型懸索橋來說，板型設計結構會把風力牽制在橋梁斷面上。這樣被牽制住的風力，會造成兩種的扭轉模式：共振模式和扭力模式。共振是一 種縱向的扭力，意味著振動力沿著橋梁的長度發生作用，塔科馬大橋也不例外。所以出現了以大橋中央為分界點，橋面順著橋長上下起伏的現象。這樣，司機會看見 對面開來的汽車有時會消失在跌宕起伏的橋谷中。
???? 但是，共振模式并不是導致橋梁坍塌的原因。當時的風速達到了每小時68公里，一旦風力達到這樣的強度，第二種扭轉模式“扭力模式”就開始作用于大橋。當時在坍塌現場的人們可以看到，橋上的路面出現了兩側路面交替上升、下降的現象。
??? 應該這樣說，對所有橋梁設計來講，橋面與水面的長距離，造成了穿過橋梁的風力對橋梁本身的振動。因為當風吹向橋梁時，風力將分流繞過其橋梁斷面而形成周期 性交替的風流。周期性交替的風流繞過障礙物時會使橋身產生共振。當風速達到一定程度時，風力對橋梁這樣有明顯仰角的物體會產生強烈的扭力。周期性的共振加 上扭力累積到一定幅度時，就會引起橋梁的折斷。如果不能有效降低這種逐漸增大的振幅和扭力，橋梁的安全就難以得到保障。
??? 橋梁界最后給出的正式結論是震撼而有深遠借鑒意義的：“塔科馬大橋使用了嶄新而沒有經過驗證的橋梁設計結構，使大橋建成后毀于風力造成的風振。”看來，正是由于橋梁設計（換成IT界的話來講，就是橋梁的架構）的原因，導致了這樣慘痛的工程失敗。
??? 理解塔科馬大橋事件的原因，可以說只有在嚴謹的數學分析下，結合空氣動力學和系統結構學才能完全搞清楚。在以后的研究和工程實踐中，建筑結構工程界和航空工程界借鑒塔科馬大橋的失敗經驗，進一步完善了空氣動力學。這對以后研究解決橋梁的風振問題提供了很好的借鑒。
??? 自此以后，橋梁界專業人士開始認識到：為了解決風振，首先要避免由于橋梁結構所累積的風力振動，而不是通過加強主梁或橋體的強度來抵抗風力。為了減少累積 的風振，可以運用具有開放的網格結構使大梁和橋面的氣流順利通過，不致產生渦流和扭力的積累，這樣就大大減小了風振。
???? 故事是令人震撼的，背后的教訓也是深刻的。雖然后續橋梁工程實施的質量無可挑剔，但正是橋梁設計使用了全新的架構，并且該架構沒有經過實踐的檢驗，從而導 致最終橋梁崩潰性災難的發生。人類所有工程領域的進步都是建立在這樣一系列失敗的基礎之上，并逐漸走向成熟和成功。

總結

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