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“在闻名遐迩的威尼斯兵工厂里，你们威尼斯人所展现的经久不衰的活动提示人们，对于勤学不倦的头脑来说，尚有一大片领域有待探明，特别是那些与力学有关的工作部分。因为在这一部门，种种仪器和机械都是由许多工匠坚持不懈地研制出来的，在他们中间必定有些人部分地是通过继承他人的经验，或部分地是通过他们自己的观察，在解释自己的工作时已经变得愈加聪明，且高度专业化。” 17 这是伽利略在1638年出版的《关于两种新科学的对话》（ Two New Sciences ）一书开头所写的一段话，该书是他以对话形式出版的两本重要著作之一。
伽利略在科学革命中是一位关键人物，他不仅研究星空，而且还研究他同时代居民的生产活动，特别是威尼斯的大规模土地开垦规划。他自己拥有一项抽水装置的专利。更为重要的是，他提倡对机械、仪器以及其他生产用具给出系统的说明，而这预示着工程科学的黎明，尽管还需要历经很长一段时间才能看到日出。
伽利略注意到，威尼斯兵工厂的工人们制造出了精巧的装置，并且对他们的工艺流程作出了许多有效的解释，但是在面对别人的深究时，却不善于为自己的解释辩解。例如，他们从经验中得知：不能从几何学的角度，将一个小的模型按比例放大为一座大厦。假如模型和建筑物是由同一种材料建造的，很可能前者能够挺立而后者则会倒塌。为什么会这样呢？工人们的解释是含糊不清的，往往招来学者们的嘲笑。伽利略挺身而出为工匠们辩护，争辩同样的答案需要有更为合理的理由来论证。他自己关于比例的解释，显现出了科学思维的特质。
造船师制作大船所用的单位面积的脚手架要比制作小船所用的更多，并且能为特定尺寸的船只估算所需脚手架的密度。这是他们的工作。满足于已有的成功，他们忙忙碌碌地工作以养家糊口，没有停下来做更深入的探究。伽利略则做到了。他进一步询问 为什么 ，并且探询经得起深究的答案。他对自己调查得到的情况进行了 概括 ，并把造船实践视为一种 典型 的工艺流程，即按比例缩放的一个案例。比例关系包括许多表面上看来支离破碎的案例。关于比例概念的另一个例子是，当大动物和小昆虫从同一高度摔落时，大动物更容易折断腿。伽利略把各种各样关于比例的案例贯通起来，将 材料强度 视作机械性能的一个重要参数。 18
伽利略的方法具有科学和工程学的特征。当他遇到特殊案例时，会开阔自己的视野去寻求具有代表性的典型情况，并把该案例作为其中的一个例子。概括的方法使他能够比较各种不同的案例，从多变的细节中进行抽象，从中识别出重要的模式或规律性，并且通过范例得以体现，同时把它分析为各种要素。为了研究机械，伽利略仔细思考了一个最简单的范例——一根置于墙外的悬臂梁。他根据两个要素进行分析：所使用的材料具有一定的强度和重量，以及悬臂梁的承载力原理。这个分析使材料和结构两个要素变得清晰起来，在众多工作者的不懈努力下，后来发展成为 材料科学 和 静力学 ，而这两门学科是土木工程技术的核心。
在伽利略的分析中，区分了自己命名的“具体的机械”和“抽象的机械”这两个不同的概念。抽象方法是工程学中的一种主要方法，作为一种系统理论的思维方式现已众所周知，按照这种方法，一件人造物通常呈现的特征是 结构 和 功能 方面的，而不是 材料 方面的。这使得工程师们几乎能够分别地处理材料和结构问题，为设计提供了很大的灵活性。例如，除一些诸如随机存取存储器变量之类的接口参数外，计算机软件从计算机硬件的大量物理元件中抽象出来，由此使得一个程序可以在满足此参数的任何计算机上运行。与此相似，悬臂梁的基本原理以抽象的方式描述机械，后者受到一些诸如杠杆臂的材料强度等参数的影响。这些原理可广泛应用到大量的结构工程之中，例如用不同材料建造的桥梁和高层建筑物等。
一旦石头碎裂，木材弯曲，建筑物就处于危险之中。具备材料属性的知识对于施工的成功至关重要。早在伽利略之前的 150 年，建筑大师阿尔贝蒂（Leone Battista Alberti）就已经依据木材对各种不同建筑物的适用性来进行分类。阿尔贝蒂的书籍是第一本用铅活字印刷的有关建筑和结构工程的重要著作，而铅活字印刷机是在15世纪40年代开始采用的。印刷术便于信息的传播，但同时也限制了信息传播的 形式 。它不利于传播不能以书面形式表述的实践知识，然而也促进了人类进行抽象思维，并强调了规范概念的重要性。阿尔贝蒂用于材料分类的概念全部与材料表观属性有关，例如在各种不同条件下，不同种类的木头具有不同的颜色或相关的耐用性。在这一方面，阿尔贝蒂并没有超越他的老前辈。 19
伽利略关于材料强度的理论是一个更有影响力的分类概念。尽管材料强度对于建筑是至关重要的，但是到那时为止仍然没有一个很好的界定，部分原因在于它深隐在物质形态的建筑物中。与阿尔贝蒂的定性描述相反，伽利略引入了强度系数这样一个定量概念，它更精确、更系统化，同时也易于测量。同样重要的是，强度的概念同张力和应力的概念密切相关，后两者都是结构分析的基本要素。这些都是难懂的概念。伽利略关于材料强度和横梁弯曲的理论都存在许多瑕疵和错误。在伽利略之后 150 多年，两位法国工程师库仑（Charles AugustinCoulomb）和纳维耶（Louis Marie Henri Navier）最终解决了横梁的弯曲与挠曲的问题。在他们之前，胡克（Robert Hooke）、莱昂纳德·欧拉（Leonhard Euler）、伯努利（Daniel Bernoulli）以及另外许多人也都对此作出了重要贡献。然而，这150年征程的第一步，伽利略早已迈出。
除了提出这些概念以外，伽利略也引入了 试验 和 测量 的方法。人们可以测量材料的强度，并把它们作为参数代入到虽近似却简单的结构方程式中去，以求得实际的答案，而无需坐等材料科学的复杂理论的问世。很快，对于木料、石材以及金属，不仅能分析和测试它们的抗曲和抗拉强度，而且也能分析和测试其弹性和抗碾性。许多强度系数表公布出来了。其中一些表被贝利多（Bernard Belidor）收入《工程师科学指南》（ La science des ingenieurs ）一书中，这本书很可能是第一次使用了 工程科学 （engineering science）这个术语。该书出版于 1729 年，这比 社 会科学 这个术语的首次出现早了60多年。
然而，有关材料属性的早期研究成果仅仅局限于实用性。它们往往是不可重复的、相互矛盾的。由于缺少标准化的标度和测量，从而妨碍了对材料的正确比较和系统化研究。许多材料的性质并非固定不变，例如铁器，会因产地和制造商的不同而相差很大。同样地，不稳定的材料样品，也会从根本上削弱复制和标准化测量的努力。正如土木工程师兼历史学家彼得斯（Tom Peters）所说：“因此，为了开发可靠的材料和标准，需要可靠的材料和标准，这真是一种叫人左右为难的困境。” 20 在由许多松散相连的要素组成的复杂过程的动力学中，这样的状态并不是一种特例，而是一种规律。每一个要素都因为它自身内部动力和与其他要素的外部相互作用而运行着。它们互相拉动和牵制，艰难地促成整个领域的前进。
对材料性质和可靠性的改善姗姗来迟，这也部分解释了为什么直至 1798 年法国土木工程师皮埃尔-西蒙·吉拉尔（Pierre-Simon Girard）关于材料强度的第一篇综合性近代论文才问世。在使用石材和木料的时代，建筑施工几乎不考虑用铁。采用这种新的建筑材料，法国尚在英国之后。作为早期的一位领军人物，特尔福德（Thomas Telford）可能是开创铁路时代之前英国最伟大的土木工程师，以设计建造许多道路和运河而著称于世。他是建造铁桥的先驱。同计划在 1814 年建造默西河悬索桥这件事有关，他用水压机对铁链和铁缆索进行了近 200 次的拉力强度试验。期间他得到了数学家巴洛（Peter Barlow）的帮助，后者在三年后将这些试验数据收入他自己的著作中，一般认为，这本书标志着英国材料科学的诞生。
在 1856年之后，当贝塞麦（Henry Bessemer）采用转炉炼钢法，以及后来马丁（Pierre Martin）采用威廉·西门子（William Siemens）和弗雷德里克·西门子（Frederick Siemens）的平炉炼钢法生产出了廉价的钢铁时，关于材料的知识就变得越来越重要了。1865年，一个专门从事材料研究的实验室在伦敦成立。随着具有特定属性的材料（如金属、陶瓷、聚合物、合成物等）变得易于制取，许多取决于它们的高性能技术开始发展，材料实验室的数量也在不断地激增。由于注入了化学以及后来的分子物理学的知识，古代的冶炼术渐渐变成了材料科学与工程学，这方面的具体内容我们将在第6.4节作进一步阐述。
在1742 年，罗马教皇本尼狄克十四世（Benedict ⅩⅣ）派人诊断罗马圣彼得大教堂拱顶出现的裂缝。这次委任具有时代的特征——这个任务不是给了建筑工匠，而是给了三位数学家，其中的一位曾编辑并注释过牛顿（Isaac Newton）的《自然哲学的数学原理》（ The Principia ）一书。他们的理论方法和诊断结论引发了一场大论战。在对当年未曾自觉应用数学而建造的拱顶的诊断中，数学的效用性遭到了评论家的质疑。然而，正如土木工程师兼历史学家斯特劳布（Hans Straub）所评述的那样：“尽管对个别的论证有异议，但是这三位罗马数学家的报告应被视为在土木工程史上具有划时代的意义。其重要性在于，与所有的传统和常规相反，对建筑结构稳定性的勘测不是建立在经验规则和静态感觉的基础之上，而是建立在科学和研究的基础之上。” 21
对结构的平衡进行分析，是静力学历经漫长历史后出现的具有划时代意义的事件。其基本的原理，即杠杆原理和力的合成，是从阿基米德开始就被人熟知的，并在 16 世纪由斯蒂文（Simon Stevin）详细阐述过。伽利略引入了力矩的概念，并阐明了力的概念。静力学是力学通论的一部分，18世纪的物理学家和数学家为此付出了很多努力。然而，在很长的一段时期里，理论研究对工程实践的影响很小。初始的理论有过于简单化的倾向，没有抓住实际情况的实质内容。在工程设计中，由于把各种要素形成整体的结构尚不存在，而且设计要素会以无穷多的可能方式变化，要辨别出关键性的要素是非常困难的。分析现存的结构相对比较容易，人们可以像自然科学家一样行事，探求特定现象的数学表述。静力学理论首次在工程中的应用，是对一座现有建筑物结构——圣彼得大教堂的拱顶进行分析，这并不令人惊奇。那三位数学家应用一个简单的数学模型，就足以运用力学定律来分析和表述拱顶的复杂结构。他们计算受力状况，并得出拱顶的箍环承受不了水平推力的结论。他们提出，必须增加三个带着链条和螺钉的铁环来确保这一建筑物的整体性，结果这一建议被采纳了。 22
设计新结构的难度更大。熟知现实情况的复杂性以及各种实际要求的工程师们，不得不开发最适合这个工作的数学工具。其中的先驱者有库仑。他先在梅济耶尔的工程技术学院接受专为法国军官设置的技术培训，接着又以军事工程师的身份在西印度群岛服役了9年，然后退伍潜心研究电磁学，最终发现了现在以他的名字命名的定律。他精通数学，并把数学应用到自己的工程师职业生涯中去，用数学公式表述和解决许多突出的问题，其中包括土压力、土滑移和梁弯曲等这些连伽利略也深感棘手的问题。彼得斯评述说，不像数学家“用一种方法研究一个问题，库仑工作的价值在于他与此背道而驰，仅把数学看作是达到目的的一种方法，将它作为一种工具使用，引入各种参数以同他作为建筑师的意图和经验相一致。库仑对他所采用的方法的系统性方面不感兴趣，只关注它们的应用。他最终得到的结果，不是有关方法的原创性的新颖见解或知识，而是它的功能性结构”。库仑在 1773 年出版的著作中写道：“尽我所能，我尽力提供我所使用过的足够清晰的原理，一个工匠只要有一点点知识就能够理解和使用它们。” 23 库仑在工程技术和科学方面天资聪颖，使他在理论和实践之间架起了一座桥梁，但对于大多数从事实践的手工艺人来说，还需要稍多点的不定期学习。直到 19世纪初期，新型的技术大学才培养出用基础数学和科学原理很好武装起来的毕业生，此时理论静力学才真正形成。纳维耶正是站在这个历史的转折点上，人们通常把他看作结构分析的奠基人。
纳维耶受过良好的理论和实践的教育，这一方面来自巴黎综合工科学校的求学经历，另一方面来自他的叔叔戈泰（Emiland Gauthey）的言传身教，后者是一位富有实际经验的工程师，职位晋升至桥梁和道路总监。纳维耶曾设计过几座横跨塞纳河的桥梁，考察并撰写了有关英国道路和铁路的报告，介绍了许多解决工程技术问题的理论方法，发展了弹性理论，对流体力学也作出了贡献。然而，他对发展土木工程的最大贡献，是于 1826 年首次出版的他在大学的讲义。在讲稿中，他将前人在实用静力学和力学中的孤立发现整合为一个统一的理论体系，以使实践问题概念化并为它们找到解决方法。因此，他培养他的学生具备对工程技术最有价值的能力，用彼得斯的话来说，就是：“通过简化的理性选择把任意的案例建立在数学原理体系之上的能力。” 24
由于理论具有概括性，因此关于现实世界的各种理论总是简约化的，它将许多杂乱无章和随机发生的因素一一省去，对于这些因素，科学家有时可以置之不理，但是工程师却不能这样做。然而，理论仍是重要的，因为它以基本概念架构的形式给人以洞察力，据此人们可以评估新的情况，应用积累的知识，预测可能的结果和选择可供解决问题的方案。一种好的理论与一种差的理论的一个区别，就在于它是否有能力在细枝末节和偶然性的旋涡中，通过精选的简约化而捕获基本要素。纳维耶通过他自身和无数前人的经验来获取发现，用数学形式加以表述和综合，把对施工十分重要的一些选项融入他的理论体系之中。于是他归纳形成了一个与物理学紧密相关但又不同的知识体系，即对各种各样建筑物都至关重要的工程静力学知识。在构建完成了自身的科学知识基础之后，建筑和施工就从一种实践技艺转换成了一门技术。
正如纳维耶所讲的那样，工业革命充满了蒸汽。全新的建筑材料——铸铁、熟铁以及日后的钢铁和钢筋混凝土——为石料和木材时代所梦想不到的设计展现了各种可能性。迅速扩展的铁路系统需要无数跨度更长、负荷能力更大的桥梁，以便能够承载轰鸣作响的火车头。因为这些工程大多数不是由政府而是由锱铢必较的私人投资者提供资金，因此必须确保在选用材料和施工工序中的低成本。狂热的竞争进一步需要以前所未有的速度来设计和建造工程。到处都在涌现新的供应、新的需求、新的问题以及新的机会。在一堆狭窄的意会知识中作微不足道变化的传统手工艺方式，既不能产生也不能跟上快速多样的技术变革。科学的工程技术的崛起遇到了挑战——科学和技术不断增长的复杂性，是在近代历史中一再出现的主题。
建造跨越英国梅奈海峡的不列颠大桥，是土木工程技术巨大进步中的一个小小例子。这座大桥是连接伦敦的铁路线的一部分，该段铁路的终点站设在威尔士，这里有前往都柏林的渡口。罗伯特·斯蒂芬森（Robert Stephenson）是铺设这条线路的总工程师，在1845年启动这一项目。他很快就认定，早在25年前由特尔福德建造的悬索桥对火车来说柔性太大，必须采用一种桥面硬挺的新式桥。于是他聘请了在锻铁施工方面有着20年经验的造船工程师费尔贝恩（William Fairbairn），以及霍奇金森（Eaton Hodgkinson），后者是一位因其理论分析能力很强而被同事称为“数学家”的工程师。恰当地选择人才，体现了时代和人的心智都在发生变化。当初特尔福德设计桥梁时，只悬挂一根全尺寸的链条来测量垂度，而不是用悬链线方程来计算。与之相反，费尔贝恩则惯于运用水力学来决定桥梁的外形，他邀请霍奇金森对这座桥梁预先进行数学上的分析。 25
斯蒂芬森的团队决定建造一座箱型管桁铁路大桥。一根 1380 英尺（约 421 米）长的横梁坐落在中间的三座桥墩上，这在当时实在是大胆而又新奇的，但绝不是完全盲目的举动。纳维耶分析过有多个支撑的连续梁的力学机理，他的工作在 1843年由莫塞莱（Henry Moseley）引入英国。但是其中所包含的数学是远远不够充分的，这一点也不仅仅是因为它缺乏彻底的测试，而使可靠性遭到怀疑。它没有涉及例如弯折等一些十分特殊的管桁梁问题，并且它太粗糙，不能满足详尽设计的规范要求。设计过程主要是以经验为主的，定量的决策以实验为基础。然而，理论构架的建立的确有助于决定进行什么样的实验，测量什么样的数据，如何分析它们并引出它们对所设计的大桥的重要性，以及决定将进行什么样的跟踪监测。
对于不列颠大桥的建造，霍奇金森的许多由理论推动的实验被人指责为浪费时间。然而，对于土木工程自身而言，这些实验绝不是浪费。它们提出了问题，找到了解决问题的方案，引入了正确的理念，检验了理论的正确与否，并发展了施工技术。麦克斯韦注意到，将电磁学理论应用到电报技术中去有助于发展科学本身。与此相似，由于精确的机械测定方法有了商业价值，也由于工程师们所实际使用的设备在尺寸上大大超过了原来在实验室中所用的模型装置，因此把结构分析应用到桥梁建筑中去，反过来也促进了静力学的发展。数学理论通过汲取和归纳从桥梁施工中收集到的数据，获得了更多的实质内容和可信度——这些理论对随后的建筑项目会更加有用。
建筑业是一个庞大的产业，它在 2000 年占美国国内生产总值 4％以上。建筑业中约15％是大型建筑工程，包括高速公路、街道、隧道、桥梁、大坝、征地平整、垃圾填埋场、供水和其他管道、电力和通信传输线路，以及工业用房。 26 这是土木与结构工程师的帝国。他们中有很大一部分人在为政府工作，因为许多民用基础设施属于公共事业。
该产业中的另外45％与建造楼房有关。在这里讲点有关建筑行业和工程专业的历史典故。工业革命展示了一种新的建造方法——铁和钢在建筑结构上的使用，这种工艺的潜力至今仍未被发掘殆尽。建造高楼，或跨越巨大的空间建造屋顶构架，都需要进行结构分析与精确测量材料的强度，这都属于土木工程师和结构工程师的专业技能。工程师们负责建造火车站、展览大厅、工厂厂房，以及其他强调功能的设施，这些都是在未经咨询建筑师意见的情况下就开始动工的。这两个专业曾经分离并疏远了一段时期。如果把伦敦的圣·潘克拉斯饭店和与它毗邻的火车站作个对比，则两种专业人员之间的隔阂体现得非常明显。这家饭店是一座富丽堂皇的哥特式建筑，而车站则是带有朴素无华的铁架和玻璃的拱顶建筑，两者没有体现出建造者们企图减少这种不和谐的迹象。这并不意味着实用的结构风格必定缺乏美感。这座车站广阔的空间展示了一种令人惊叹的庄严恢宏。美学问题在于它与毗邻大饭店的不协调。建筑史专家乔丹（Furneaux Jordan）在车站的图片说明中写道：“1864 年由巴洛（W. H. Barlow）建成的伦敦圣·潘克拉斯火车站，其铁屋顶跨度达 243 英尺（约 74 米），是 19 世纪最棒的工程技术成就之一。注意钢梁的巨大曲线是如何高过大饭店的哥特式小窗户的，并首尾相连。” 27
装饰最终让位于技术。历史学家希契科克（Henry Hitchcock）评述道：“近代建筑史学家已普遍而正确地强调过，在法国19世纪最后数十年中金属建筑业所取得的进展具有特殊重要性。这个时期的伟大名字不是属于一个建筑师，而是属于一个工程师——他就是埃菲尔（Gustave Eiffel）。” 28 埃菲尔曾修建过几座宏伟的桥梁，但是大多数人知道他是由于他于 1889 年在巴黎建造了大铁塔。埃菲尔铁塔周身是全铁结构，高高耸立达 300 米，它不仅经受住了自然力因素的考验，而且还经受住了美学家们大量如大山压顶般的嘲笑，最终它变成了地球上最受欢迎的里程碑式建筑之一。
作为一个工程结构，埃菲尔铁塔因其显眼而非同寻常。除了显露无遗的桥塔以外，这位工程师建造的高塔经常遭到与他另外的作品同样的命运，例如，他的支撑着自由女神像外壳的内部钢铁结构，除非在自由女神像的内部观光，否则所有的人都看不见并且容易忽略它。帝国大厦打破了埃菲尔铁塔保持了22年的高度纪录，它的内部就隐藏着钢铁结构。这种摩天大楼式的建筑风格，是由培养了埃菲尔的同一个工科院校的另一位毕业生所开创的。
詹尼（William Le Baron Jenny）在法国完成学业后，回到了自己的祖国——美国，他在转向建筑实践之前曾当了 7 年军事工程师。后来他成了芝加哥学派的领军人物，这个学派的许多成员在他的公司工作和学习过。美国高层建筑与城市住宅委员会宣称：“詹尼建于1884—1885年的美国保险公司大楼开始了钢铁框架结构的创新性应用，随后许多高层建筑设计纷纷效法，以其为特征。” 29 先前的砖石建筑的技术一向局限在承重墙上，高楼的墙壁造得非常厚实，16 层的蒙纳德诺克大厦的第一层基础墙就厚达 6 英尺（约 1.8 米）。美国保险公司大楼的创新之处，在于几乎它的所有外墙都不是由自身支撑的，而是由内部的钢结构来承受大楼的重量的。尽管它自身只有10层高，但却引入了新颖的结构技术。对现代建筑物来说，天空才是它的极限。
小型建筑物结构的材料需求相对较少，因此为形式上的任意变化留有余地，摩天大楼则不然，在实际的材料要求上，它的内部结构必须和大楼的外部形式浑然一体。建筑师们占据了家庭房屋设计的领域，但对高层大楼的设计，他们的工作必须与结构工程师们紧密配合。在考虑建造一座建筑物时，建筑师强调的是人为的因素——它的美感以及为生活和商业服务；而工程师强调的是物理的因素——它在与自然力抗争中的结构整体性。建筑师可以把建筑物只看作完成了的产品，只关注它的外表和功能。但工程师则不能——他们不仅必须认真考虑建筑物的设计，而且还要认真考虑实现设计并将设计转换为物质的实体的施工过程。建筑师和工程师两种专业相互取长补短，经常合作组成一个能够提供一条龙服务的公司。这两个职业最初从古代的 建筑大 师 （architectus）中分离出来，最终又重新走向合作。