主题：【原创】探索建筑结构的优美 -- 年华似水流

1. 伽利略--为什么 树枝不能无限的长长?

当你拎着很重的SHOPPING BAGS,步履也许还能很矫健.若正好有人问路, 你要举平了胳膊指给人家看,一定知道有多难受. 拎包是抗拉, 举平是抗弯, 现在看起来和苹果掉到地上是重力作用一样的直白, 只是因为我们现在都是站在了巨人的肩膀上.

结构是有很多构件组成的, 比如梁和柱. 所谓结构计算和设计, 其实很简单, 简而化之, 两个方面:一方面是计算力的传导和大小(荷载),第二方面是设计结构的形状和材料选取以使得其承荷载能力(简单讲强度)大于荷载. 进一不简化: 强度大于荷载.

在伽利略(1564-1642)之前, 结构方面静力问题已经被许多数学家研究, 主要对于力是怎么在结构构件上传导的,是第一方面的问题. 在这个阶段, 构件的材料, 甚至形状都可以不在问题之内. 伽利略不同前人的贡献在于他开始研究了第二方面的问题,即强度的问题, 具体来说, 就是构件的形状和尺寸是怎么影响它的承载力的. 比如以下图就是他的梁试验.

Galileo’s cantilever beam (悬臂梁)

从中他发现, 随着梁的长度的增加, 它能承受的末端的那个大沙袋的重量越来越小: 其承载力随着长度而减小! 梁最后断裂时候是在墙边的那一头. 增加这个梁的抗力, 就必须增加它的截面积.

他发现梁末断(墙的一端)所受的由于自重所带来的弯 “力” (弯矩)跟长度的平方成正比.从这个发现, 他还进一步想到了现在所说的”尺度”问题. 为什么大自然”造’物,都是有尺寸限制的? 比如一棵树的树枝为什么不能长些, 再长些? 那是因为一根树枝长度超过一个限度,过会被自己的重量所带来弯矩折断. 也许至此更有体会:一个大的没有阻断的建筑空间是很不容易的事情, 象万神殿43米的直径. 结构的美在一个方面也许可以说在于极度的发挥(PLAY)强度和荷载之间的关系.

同样是意大利人,和达芬奇同等的杰出, 并且和达芬奇一样, 伽利略也是借助于试验来研究周围世界的规律. 但不同的是, 伽利略把自己的发现写进几本广为流传的书里面. 1638年74岁时候, 他发表了<< DIALOGUES　ＣＯＮＣＥＲＮＩＮＧ TWO SCIENCES>>. 其中他讲的第一个新科学就是”固体断裂的抗力”. 他是一个很好的传道授业之士, 能把自己对结构的洞察力娓娓道来:”我们研究这第一个科学的出发点是假设固体受直接的拉伸的抗力是已知的(就是现在所说抗拉强度),以此为基点, 我们可以发现许多别的结果.”

在这些” 许多别的结果”中, 包括柱体的材料象玻璃,铁,木头等等其他可断的东西, 能够承受很大的竖直方向的拉力,但要是横向弯起来, 却能轻易断裂. 这就是抗拉和抗弯的区别. 一个结构的梁,就是要抗弯. 虽然现在看来是这么简单易懂的东西, 但是牛顿从掉苹果能研究出重力, 同样, 伽利略对结构最大的贡献是他对固体抗弯的研究直接预告了了现代梁理论体系的建立.

2. 成就大于声誉的虎克

说起虎克(1635-1703),公认的是他的成就要大于他得到的声誉. 比如英国皇家学会(ROYAL SOCIETY)从1710后,虎克的画像就消失了. 其中的原因也基本上是公认的: 和牛顿的交恶. 虎克和当时皇家学会的主席OLDERBURG 也矛盾重重.

虽然个中原因不再重要，依然重要的我们还在享受他的巨大成就．1961年的时候, 核战争看起来能成为现实的时候, 物理诺贝尔奖得主RICHARD FEYMANN (费曼)问他的学生

:” If all the scientific information were lost in the cataclysm, what single statement would preserve the most information for the next generation?”

费曼自己提出的是

” All things are made of atoms---little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another.”

1678 年, 虎克发表了一篇24页的文章<< THE TRUE THEORY OF ＥＬＡＳＴＩＣＩＴＹ＞＞，　其中的论述就和费曼所推崇的最有价值的科学知识很相似．　他说当一种材料，　象铁，　木头，石头，　头发，玻璃，　等等，受拉时候会伸长，受压时回缩短，　因为材料本身有一种力量，

＂a force to restore itself to its natural position always proportional to the distance which it was removed therefrom.”

在这篇文章里，　他不仅提出了只要受过些许科学教育的人都知道的虎克定律，还画有一著名的示意图，清楚得表明他对现代工程梁理论的最基本的假设的理解：梁截面的平面在弯曲下仍保持平面．

所以对他的在科学和建筑方面的成就,见有后人更为强烈的措辞:

'Everyone knows the names of Newton and Wren, but Hooke was as distinguished and deserves similar recognition.'

其中CHRISTOPHER WREN是指著名建筑师瑞恩.

虎克从27岁就任职与皇家学会的同时, 他还是伦敦GRESHAM学院的教授, 是位活跃的建筑师, 工程师,和房屋鉴定员. 1666年的大火席卷伦敦后, 虎克是被市政府指定的三个鉴定员之一, 负责监督所有需要重建的房屋. 他个人至少设计了35栋建筑物,著名的是瑞恩合作设计的大火灾纪念碑.

Hooke’s monument to the Great Fire

大火灾纪念碑紧挨着LONDON BRIDGE 的北端, 就是大火初起的地方.

这个纪念碑是用一种叫波特兰的石灰石建造而成的. 高62米, 至今仍是世界上最高的FREESTANDING 石柱体. 它不仅仅是一个高耸的柱子, 虎克设计的时候, 还想着利用它来做其他的科学试验: 他在皇家学会的职务就是司掌科学试验的,对试验乐此不彼. 1668年, 他在碑顶用自己的水银压力计测量了空气压力, 发现水银高度下降了1/3英寸(1英寸=2.54厘米). 他还计划要在碑顶通过摆钟来进行重力试验, 验证重力随离地球中心距离的变化, 这个试验计划在1681年12月向皇家学会提出,最终是否进行皇家学会的资料没有记载.

虎克和瑞恩关系密切, 在大火后合作了设计很多建筑物. 最著名的是ST. PAUL”S CATHEDRAL.

教堂是文艺复兴后期到巴洛克之间的过度风格. 从外面看到的圆顶给了整个建筑一个优美的中心亮点, 它并非结构性, 只是为了美观而建. 从内部看到的拱状也非结构性, 属于内部装饰. 而在两者之间, 第二个看不见的拱形穹顶才是支撑整个上部的结构.

这个教堂的1000多年历史充满了灾难. 罗马时代建成的木结构教堂是在公元604, 仅70年就毁于火灾. 10年后重建的木结构又在北欧海盗在公元962给烧了, 不知道这些海盗是否是乘着那艘优美无比GODSTAD SHIP乘风破浪而来. 从此以后的重建开始采用石结构. 这个重建工程持续了200年. 开始于1087年, 统治英国的法国人决心要建一个世界上最长的教堂(诺曼第式). 虽然主体结构是石头, 但顶部还是木头, 仅仅是因为石头太重.

回想以前说过,罗马时代已经使用轻质混凝土, 但经过中世纪,罗马的混凝土技术已经失传.千年之后, 直到1759年, 一位年仅34岁的英国人JOHN SMEATON在建造著名的SMEATON灯塔是才继罗马时代第一次重新使用混凝土.

300年后, 这个石体木顶教堂在伦敦大火中再次损毁. 其实在大火之前, 瑞恩就已经接受了维修教堂的任务, 因为那时教堂已经破败不堪, 比如说1561年, 就被雷电击毁过屋顶. 大火之后, 瑞恩的维修计划改成了彻底推倒重建. 瑞恩的第三个设计才被批准通过(下图).

查理二世批准的瑞恩的设计

但批准后, 瑞恩因为查理二世给了他改变局部装饰性设计的权利, 他却对设计进行了基本上是彻底的改变, 参照以下的最终设计.

瑞恩自做主张改头换面最终的定稿

可以说这个教堂使得瑞恩名垂建筑历史的千古, 许多人只知道是瑞恩的作品,而事实是瑞恩和虎克合作的结晶. 虎克的日记中记载道:” 瑞恩能很好的利用我的拱结构理论, 利用它来改变他的设计.” 这个不是自吹自擂,从数学计算和力学的角度来将, 当时虎克对拱结构理解和阐述是前人所从没达到,比如, ”一根悬起来的柔软锁链,翻过来看, (没个环链)就相当于组成拱的各个的小块.”

. 以下是他的手稿,

Hooke on “The true mathematical and mechanical form of all manner of arches...”

虽然没有正式文字记载, 但从两位17世纪的巨人两人紧密的互动, 一般认为, 瑞恩设计的双拱的穹顶是接受了虎克的建议. 虎克对建筑物内声音的传播也有独特的见解, 他对结构的形状对声响效果的影响方面做了试验研究. 其中, 他设计的Montague House, 人对着一面墙低语, 贴在对面的墙上也能听见. 这和天坛的回音壁应该是一个道理, 虎克通过试验也理解声音不仅是能靠”BEATS OF AIR”而传导, 也能通过一根导线来传导.

”当我们在St. Paul's大教堂里低语的时候, 历史将低语回响, 在这些微弱的声波的流动中, 是不是也蕴藏着些许的秘密, 等待世人揭示虎克在17世纪的贡献和影响?”