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由失樂園到豐盛之地–泰爾福德與土木工程學系的由來

92/02/19 3784

張文亮｜臺灣大學生物環境系統工程系

艱苦的童年
　　
一七五七年八月九日，泰爾福德（Thomas Telford）生於蘇格蘭高地的小鄉村班特派斯（Bentpath）。他的父親是個牧羊人，兼做刻墓碑的工作。泰爾福德出生後三個月，父親病故，母親帶著他搬到一間小茅屋裡，以幫傭賺取生活費，母親常告訴他：「姓泰爾福德的人，不隨便向人低頭、求人賙濟。」

泰爾福德唸小學時，課餘替人看羊，他後來寫道：「看羊的時候常感孤獨，但我從此喜愛孤獨。」一七七一年，他小學畢業，到父親的一個朋友處當學徒，也學習刻墓碑。但他被師傅虐待，兩個月後他的母親知道情況，立刻將他救出來，童年這段不愉快的經驗，使他以後非常體貼年輕工人的需要。

石匠的學徒
　　
母親又為他找了另一個石匠師傅湯姆遜（Andrew Thomson），湯姆遜不刻墓碑，而是以石頭做為房屋與橋梁建築材料的工頭。用石頭做為建築材料，不僅比泥磚安全，而且石頭表面可以提供藝術彫刻的空間，當時已被視為最理想的建材。一七七八年，他第一次負責工程，在蘭荷姆郡的依斯克河建造一座石橋，完工不久，下了場大雨，河水上漲，幾乎淹上橋面。他終夜站在橋邊守候，雨停水退後，石橋依然矗立。師傅看後，認為泰爾福德已經學成，不再是學徒，而是工作上的夥伴。

在此期間，泰爾福德認識了蓓絲里（Elizabeth Pasley）女士。蓓斯里出身望族，是個文學家，她在年老時，搬遷到蘭荷姆郡退休。泰爾福德聽說這位女士熱心教育，又擁有一間藏書豐富的個人圖書館，就去拜訪她，並稱：「自己所受的教育，已經足夠到自修的程度。」蓓絲里與他交談後，借給他英國大文豪密爾頓（John Milton, 1608-1674）所寫的《失樂園》（Paradise Lost）。

工程與文學
　　
他之後寫道：「我讀了又讀，心靈熾熱，又一遍一遍地讀。」，他晚年時寫道：「一生對我幫助最大的兩件事：一是閱讀失樂園，二是學習工程畫。」他又寫道：「從事土木工程的工作，必須願意擔負艱鉅的任務，能夠忍受冗長的工作時間，土木工程永遠不會成為社會注意的焦點，但是土木工程師有解決問題的強烈心志，又具有工程設計的想像力。」

文學是培養工程師想像力的搖籃，他讀了《失樂園》之後，一生以詩人自居。以後他經常寫詩投稿，並參加詩社。他寫道：「當我的心思纏繞在土木設計的問題時，文學像是小提琴的音樂，釋放我心懷。」不過他一生所投稿的詩文，大都被退稿。

工程與建築
　　
蓓絲里鼓勵他不要只滿足於做個工頭，應該再向上學習。她為他寫推薦信給當時英國最傑出的兩位建築師亞當（Robert Adam）與錢伯斯爵士（Sir William Chambers），這兩位都答應收泰爾福德當學生。一七八○年，他前往倫敦，到他們的建築事務所中當學徒。二年後，他升任建築師，擔任波茨茅斯海軍軍港的建築總監，也接下不少設計建造倫敦豪宅的案子。

他喜愛建築設計，因他自認：「建築是最能呈現個人風格的工程」。工作之餘，他也到醫學院旁聽化學課程，他寫道：「我為建築而狂熱，周圍的同學修化學是想了解人體，我卻想知道快乾水泥固化的原理。」

一七八六年，普特尼（William Pulteney）伯爵聘他前往英國西南部什羅浦郡建築城堡。他精於繪畫、設計、測量與計算，已被眾人視為一流的建築師，他卻寫道：「眾人認為有權威的人，是能完全照自己的想法去做事。但是我的心中總有一些不確定，我不知道我的做法是否正確，有許多是我不懂的。」他有空，就到附近的大學旁聽。

土木工程與人道關懷
　　
隔年，他遇到著名的「監獄改革之父」豪爾德（John Howard, 1726-1790），幾次交談之後，他決定以自己的專業為豪爾德建造理想中的監獄。在獲得普特尼伯爵的同意後，他以六年的時間建造人道監獄。豪爾德不僅影響泰爾福德的建築方向，也影響了他的人生觀。建完人道監獄與伯爵的城堡後，他給自己放一年長假，到牛津大學旁聽，在大學的氣氛中，他深刻地思考：「什麼樣的工程最具人道關懷，並能夠幫助貧苦的百姓。」他決定轉向公共工程。

第一個大工程–愛斯米爾運河
　　
愛斯米爾是一個小海港，隔著默西河與利物浦對望。利物浦是英國在大西洋岸的大港口，英國政府為了舒緩大港口貨物的進出量，一七九二年委託民間成立「愛斯米爾航運公司」開發這個小海港。開發這個港口的關鍵，不祇在港口建設工程，更在促進港
口與腹地交通的順暢。

但是愛斯米爾的周遭是一大片經常滯水的沼澤地，源自舒茲伯利丘陵的迪河難以經狹窄的河口將水宣洩至海洋，迪河就像一條痛苦的水蛇，在沼澤地蜿蜒喘息。要在這片乏人居住的沼澤地建一條運河，是項艱鉅的工程。

建立土木工程的研究與試驗
　　
泰爾福德知道這事後，經過幾個月的掙扎，他寫道：「修築運河的工程師像是鄉下醫生，工作時間長、薪水低。」但是他也認為：「建造運河是公共工程，公共工程師比建築師能嘉惠更多人。」一七九三年，他接受此重任。

工程尚未進行之前，他先培訓了一批助理工程師。他提出：「土木工程師的第一要件就是要誠實。只有誠實的人才不會懼怕看魔鬼的臉，這種人才敢面對鑿山過河的重任。」第二，他用鐵橋取代石材搭建橋梁，因為「鐵橋的重量比較輕，但是承負的力量比較大」。第三，身為建造總工程師，他要求決定會計人選的任用。第四，他要求在各階段的工程期間，進行「工程材料試驗」與「水工模型試驗」，這深深影響日後土木工程學的發展。他提出：「土木工程不僅是經驗的傳承，更是建立在試驗與研究的兩大基礎上。」為此，他的工程隊都設有自己的實驗人員與實驗室。

土木工程是一種社會教育
　　
第五，他建立「工地不得喝酒」的鐵律，他要求所有的工人在參與工程期間不得喝酒，因為「酒會使人漫不經心，而漫不經心是工程災害的主因。」當時有許多工人抗議，他卻堅持並提出一個很有意思的觀點：「土木工程是一種全人的參與，必須同時手腦並用地實際操作，不喝酒才能保持頭腦的清醒。土木工程不只是建設，也是對當地社會人士的品格教育。我的工人百分之九十五都來自當地，土木工程的進行，正是對當地人教育的時機，幫助他們建立良好的工作習慣，免得他們好逸惡勞，所以土木工程是不斷訓練人才的工程。」他又寫道：「我堅持，因為我可靠。土木工程對時代的影響力與對社會大眾的說服力，是建立在土木工程師可靠的專業與人格之上。」

不久，他帶著他的工程雄兵，開始在沼澤地排水，在不容易排水的地方，他以石頭為橋墩，將運河建在橋上。為了擔心橋上運河漏水，他用鐵板為襯底，上面舖上石頭，再用水泥填縫。並且在迪河與運河之間設置了幾道不同高度的水門，藉著水門的操作，使洪水期間迪河過多的水量可以流進運河。在運河的水淺之處，他也建置拖船道，使船可以順利前進。他不僅提供當地居民便利的航道，也整治了迪河淹水的問題。此外，他用瓦特蒸汽機為動力，浚深愛斯米爾港與河口，使得河道容易排水，也使海運貨船有較深的水位。

其中也遇到當地居民不少的反對，運河工程改變他們過去一成不變的寧靜生活，他經常與居民溝通，他寫道：「他們對於工程建設所帶來的改變，有著一種幻想式的恐懼。我向他們保證，工程完工後，快樂必將恐懼一掃而空。」他對工程建設的結果抱持樂觀的態度，他寫道：「這種樂觀是建立在事先的仔細規畫上。」

一八○五年十一月二十六日，這條運河完工，當第一艘船通過時，整條運河邊的居民都出來慶祝。

第二個大工程–北蘇格蘭高地公路
　　
工程一做完，他又接手一件更艱難的任務。過去蘇格蘭北部高地的交通非常不便，叢山峻嶺，深谷交錯。以前羅馬大軍攻到這裡難以進入，建了守衛碉堡後就撤軍。兩千年來，這裡仍是天險之地，當地的居民大都是牧羊人，以羊群踏過的足跡當做馬路，他們吹著風笛，領著羊群，過著幾乎與世隔絕的生活。在十九世紀初期，由蘇格蘭愛丁堡北上伊凡尼斯，這段二百五十公里的路途竟需八天之久，而伊凡尼斯以北更沒有道路。一八○一年，英國政府決定在此建造一公路網，這一道路網由蘇格蘭最北的城鎮德索，沿著海岸南下伊凡尼斯。在伊凡尼斯又分為三條道路，一條沿著海岸，一條穿越山區，這兩條道路在愛丁堡交會。另一條道路向西接到靠海的慕爾，道路全長約1,500公里，途中要穿越1,200條溪流。他認為建造這些道路，可以改善家鄉父老的生活。

他寫道：「我的心中有一股不止息的熱忱，每當獲得一個工程建設的機會，我就像孩子獲得寶藏般地興奮。」他又寫道：「過去許多人認為蘇格蘭高地限制了工程師發揮的空間，但是愈大的困難，我愈想去克服。道路能使當地的糧食順利輸送至港口銷售，改善他們的生活將是我的責任。」

他先在北蘇格蘭高地探勘六個月，再派工程小組進駐該地，招聘工人、訓練工人，著手開路。工程期間，英國政府以已經打敗拿破崙為藉口，拒絕繼續補助此一工程。當時剛好有洪水，沖走一些行在山路上的居民，於是高地的百姓紛紛出錢，資助這條馬路的建造。

他認為建造山地道路最重要的在於地基穩固，排水通暢與坡度控制。他採用古羅馬道路的建築法，去除易滑的路面後，在地面鋪上18～22公分深的岩石，上面再舖10公分深的礫石，礫石層上又舖6公分深的小礫石，最後又舖上3.8公分深的卵石為路面。道路的中央線略高，以利雨水流入路邊的排水溝，馬路採1比30的坡度建造。他的工程隊有3,200個工人，採用四輪班制，以十八年的時間，為蘇格蘭高地開建四通八達的道路。

對一個熱心的土木工程師而言，只要他一息尚存，工程是做不完的。他曾寫道：「任何土木工程都沒有結束的一天。」當高地的公路一建設完，他立刻成立道路維護工程隊，並擔任巡護這條公路的終生義工。

第三個大工程–加利多尼安運河

一八○三年，泰爾福德接受蘇格蘭高地道路工程時，也同時接受「加利多尼安運河」的監造總工程師一職。這條運河東接北海，西通大西洋，所經路線是景色優美的蘇格蘭大縱谷，後來有「歐洲最美麗運河」的美譽。但是工程的進行非常困難，主要的原因是英國政府要求「三桅大船」能夠航行此運河，所以運河水深15公尺，採梯形斷面，渠頂30公尺寬，底部6公尺寬。

在過去曾有傑出的科學家「蒸汽機的發明者」瓦特（James Watt, 1736-1819）與著名的工程師「倫敦鐵橋的建造者」倫尼（John Rennie, 1761-1821）嘗試開挖，但都失敗，失敗的關鍵在於要引北海之水進入河道，需要有一個強而穩固的引水口，才能抵抗北海的大浪。

泰爾福德先用二年的時間，仔細地測量運河預定路線，並且計算所需要的人力、材料與費用。他寫道：「土木工程師如同大地的醫生，有些地方就是要深挖下去，將淤泥如同膿般地挖除。」

工程一開始，他請瓦特與倫尼擔任諮詢顧問，並且聘請三位大學教授幫他覆核工程設計與演算。他首先浚深北海的弗特羅斯港，將港口底下20公尺深的淤泥全都清除，並做一道400公尺長的引水渠道推向深海，再以大塊岩石築成一道引水的水門，直接從深海取水，光是這一渠道工程就花費一年的時間。

而後他將工程分成十四個區段，將1,400個工人分成十四個工程小隊分頭進行，並召集各工程隊的負責工程師定期討論。他為工人蓋的臨時房子有一流的家具與設備，並且特聘一流廚師提供一流的飲食。這時他的名聲已經傳遍全歐，瑞典先派年輕的土木工程師來跟他學習，之後其他各國也派人來學習，這完全符合他「土木工程不只是建設，而是培育人才的工程」的理念。過去他經常在大學旁聽，他就請大學教授與他一起開辦土木工程師訓練班。加利多尼安運河在一八二二年完成。

第四個大工程–麥奈吊橋
　　
在利物浦的西方，有一個凸出的海岬名叫荷利海德，這是英格蘭與愛爾蘭最接近的地方。一八一一年，英國政府決定興建一條公路，能夠自荷利海德，經過威爾斯接到倫敦，成為倫敦前往荷利海德港的驛馬車道。同年，泰爾福德接受此一任務。

他認為這個工程最困難的地方，在於由威爾斯到荷利海德時，需橫越狹長的麥奈海峽，由於水流急速，沒有辦法建造橋墩橫越。他決定建造一座吊橋橫越，他做了200次以上的實驗，確定用每平方公分承受1.71噸力量的鋼索來負荷橋重。為了安全，他建議加倍以每平方公分3.42噸的負荷去建造，但是英國政府以吊橋昂貴為由，否決他的提案。他沒有生氣，他後來寫道：「身為一個土木工程師，是公共建設的僕人。」他繼續在倫敦與利物浦間施工。一八一九年，英國政府才承認他起初建議的正確，他立刻調來300個最有經驗的工人，採購2,810噸最好的鋼材，建造這一條當時世界上最長的吊橋，工程的成功獲得舉世的讚揚。此時，他卻宣告退休，將整個工程的完工交給他的助手。

一八一○年代，鐵路建設興起，許多興建運河的計畫逐漸被更換成興建鐵路，泰爾福德愈來愈沮喪。他一生為了運河的建造而四處奔波，連婚姻都耽誤了，家庭生活也犧牲了，結果只在為一種即將沒落的運河工程而努力。一八二○年，他申請退休，定居在倫敦，決定安享晚年，不再為工程東奔西跑。

但是，他一搬到倫敦，就有幾個年輕的土木工程師登門拜訪，其中一位表示：「我們這群沒有經驗又缺乏學識的人，愧於被稱為土木工程師，羞於獲得社會大眾對我們的信心。」這一句話，讓深陷沮喪的泰爾福德重新站起來！他做了一個影響深遠的決定。

土木工程各學科的起源
　　
在當時，已有不少土木工程的知識，如法國的科學家帕利西（Bernard Palissy, 1509-1590）成立「水土保持學」。義大利的醫生聖托力歐（Santoris Santoris, 1561-1636）製造出第一支流速測定儀。羅馬聖本篤修道院的修道士卡斯提里（Benedetto Castelli, 1577-1644）提出「水流連續性法則」，開啟了「水力學」與「水資源工程學」。法國的經濟學家佩羅（Pierre Perrault 1608-1680），以水文計算開啟了「水文學」。法國的科學家馬里歐第（Edme Mariotte, 1620-1684）首先提出「虹吸原理」，後來虹吸管又稱為馬里歐第管。

法國的科學家帕斯卡（Blaise Pascal, 1623-1662）開啟了「流體靜力學」，而瑞士的科學家伯努力（Daniel Bernoulli, 1700-1782）則開啟了「流體動力學」。英國棄法從工的司梅敦（John Smeaton, 1724-1792）用水泥建立第一座燈塔，他在一七七一年成立世界上第一個「土木工程師學會」，並將這工程取名為「土木」（civil），為的是區分工程不是只為戰爭，而是為了和平、為了居民與為了促進公共建設，他將從事這種工作的人稱為「工程師」（engineers），「工程師」的原意是解決問題的人。雖然有土木工程師學會，但是仍然缺乏專門培育土木工程師的學校。

第一所土木工程學校

法國人最早將土木工程的知識用來教育學生，一七一六年法國的陸軍首先開設「工兵學校」，教育士兵搭橋舖路。一七四六年法國皇家在巴黎成立「橋梁與高速道路學院」教育學生，這所學校後來出了一些著名的工程師，如研究渠道水流阻力的哲塞（Antoine Cheyz, 1718-1798）、研究自來水管設計原理的杜波埃特（Pierre Louis George Du Buat, 1734-1809）等。

但是早期的工程教育，較注重經驗的傳授，缺乏數理的演算。一八二○年一月二十五日，泰爾福德招聚這些學生，成立普世第一所土木工程師的學校「土木工程師學院」。這是土木工程學成立的特色，不是先有科系才去招收學生，而是先有求知若渴的學生，才成立這個科系。他首先認為土木工程的教育，不祇在經驗的傳承，更需要成為一門精確的科學，為此他將物理機械論與數學放入土木工程的課程中。

工程師的資格

有人問他：「什麼樣的人適合當土木工程師呢？」他答道：「這個世界上永遠是要收的莊稼多，作工的人少。不是沒有人，而是符合資格的人少。成為工程師的首要資格是這個人值得信任，其次是有求知的態度以及容易與人相處的氣質。年輕人不用去分辨自己是適合做建築師，還是大地測量員？初學者只需一般工程的知識，不需要具備特殊的技術。到了職場，很快就能學得特殊的技術，所以年輕人不用去思考自己適合哪種工作，而是要竭力成為所有工作的最佳人選。」

土木工程學系的普世化
　　
他晚年將一生所賺的錢，為蘇格蘭高地的孩子設立獎學金，鼓勵貧窮家庭的小孩上大學，他又為高地的居民設立圖書館，鼓勵他們念書。最後，在一八二四年至一八三四年間，他在高地設計建造了四十二間的教堂。

一八三四年九月二日，他病逝，葬於西敏寺修道院。他的工作彷彿結束了，他的影響力卻不斷地擴散出去。一八三八年倫敦國王大學開始有土木工程學的課程。一八四○年蘇格蘭格拉斯哥大學（University of Glasgow）成立第一個「土木工程學系」，而後就為普世大學所仿效。從此培育出成千上萬的土木工程師，踏著泰爾福德的腳蹤，不斷地往前進。

深度閱讀

Burton, A.（1999）Thomas Telford. Aurum Press, British.
Ellis, K.（1974）Thomas Telford - Father of Civil Engineering. Wayland Publishers Ltd., British.
Biswas, A. K.（1970）History of Hydrology. North-Holland Publishing Company, British.
Howard, D. L.（1958）John Howard: Prison Reformer. Archer House, Inc., U.S.A.

資料來源

《科學發展》2003年2月，362期，36 ~ 43頁

由失樂園到豐盛之地–泰爾福德與土木工程學系的由來

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