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        力學之美

        2017-05-10 19:25:15伍佩
        大學生 2017年5期
        關鍵詞:結構力學拱形土木

        伍佩

        世人從不吝嗇對建筑的贊美,謂之為“流動的音樂”,

        卻認為“土木土木,又土又木”,

        作為一名準結構工程師的我,

        我卻認為力學之美同樣震撼人心。

        結構之美,最先出現(xiàn)在專業(yè)課的學習中

        結構力學,是每一名土木專業(yè)學生的必修課,對同濟土木人而言,朱慈勉老先生的《結構力學》課令人向往。不同于純粹地講結構內(nèi)力求解計算,朱老先生作為概念結構力學的奠基人,喜歡用概念分析的方法授課。記得上彎矩分配法這一章節(jié)時,老先生將連續(xù)梁比喻為手拉手的人,說力在梁中的分配和傳遞,就好比一個人將手臂擰了一下,帶動了另一個人的手臂的變形。說到激動之處,老先生還拉著同學到講臺上比劃、演示。有著老先生如此生動的教學演示,剛進入這個專業(yè)的我,頓時覺得結構力學是最有趣的一門學科。此外,老先生還有獨特的一秒鐘畫出彎矩圖的超能力,每每演示總讓人覺得難以置信。

        隨著學習的深入,我逐漸發(fā)現(xiàn),只要理解了結構受力和變形的基本原理,枯燥和繁瑣的求解工作也可變得輕松。比如,一個復雜的對稱結構,可以通過合理的等效和轉化,折算成若干個簡單的半邊結構,大大減少計算量。我想,結構的之美,首先在于其傳力和受力這一內(nèi)在邏輯的可知和可解。

        結構之美,還在于其極高的力學效率

        在六年多的學習中,我也對各種不同的結構類型有了了解,而每一種結構類型都是對應于其結構的需求而產(chǎn)生的。結構工程學就像是一個求解器,合理運用不同材料的力學性能,及不同結構形式的受力特點,進行結構的設計,讓荷載能夠以最高效的方式傳到基礎。比如,拱結構,我們有合理拱軸線的概念,即總能找到一個拱的形狀,讓其在給定的荷載作用下僅受到全截面的軸壓力作用,充分利用材料的抗壓強度。將其運用于塔結構的抗風設計,我們往往采用拋物線的構型,以對應塔身在風壓作用下,截面彎矩的變化趨勢;廣泛應用于體育場館和公園休憩平臺的索膜結構,更是通過張拉力,將本沒有承載能力的薄膜材料,組合成形狀各異的覆蓋結構。

        如今,我們常用數(shù)值模型尋找合理的結構,而在沒有計算機輔助設計的過去,這種分析更是需要巧思。20世紀西班牙最杰出的建筑家高迪思考平衡拱形時,巧妙地用鏈條做出懸空的模型,計算出鏈條的弧形和承載的拉力。他再利用鏡子,將鏈條的形狀倒過來,設計出全解面受壓的拱形。此外,還有研究者根據(jù)自然界的花草蟲魚的形態(tài),進行研究,因為大自然往往展現(xiàn)出驚人的力學效率。不難發(fā)現(xiàn),一個優(yōu)美的結構,一定是受力最合理、傳力路徑最簡單的結構。

        結構之美,更在于系統(tǒng)的力量

        我常覺得,建筑師是夢境的創(chuàng)造者,而結構師是夢境的實現(xiàn)者。如果說建筑的美,是流動的音樂,那么結構的美,就是凝固的力量。站在廣州塔底,能體會24根逆時針扭轉的鋼柱怎樣支撐起了中國的第一高塔;行駛于金門大橋,可以看到纖細的懸索是如何拉起車輪下的混凝土橋面板。在這些結構中,我們能直接地感受到結構所帶來力量感。然而,這些構件僅是發(fā)揮各自應有的功能,當它們組合在一起,一種系統(tǒng)的力量美便產(chǎn)生了。

        這種力量感帶給我的最高震撼,是在我站在紐約世貿(mào)中心新地鐵站的時候。那是一棟純白的鋼結構,頂部是一根根拱形的鋼梁從天窗直飛入兩側的隔墻,天窗的末端,中軸線上的主梁下沉,次梁上拱后落地,像極了某種動物的骨架。走出地鐵站,室外的結構由交叉上升的鋼梁形成了一雙翅膀的形象,站在飛升的鋼梁下抬頭向上望,只覺得整個結構充滿了對自由和和平的向往。當時,我就對朋友說,這個建筑不太像由建筑師設計的,查閱資料后發(fā)現(xiàn),車站的設計者正是有著建筑師和結構師雙重身份的西班牙設計師Santiago Calatrava。因此結構之美,在于其力量的表達,在于其對建筑的支撐,在于它為一幢優(yōu)美的建筑物提供了一個最牢固可靠的骨架。

        我們常探討結構與建筑的關系,似乎結構的功能往往被建筑的光芒所掩蓋,但我認為,結構和建筑的美學之間應有互動,結構之美應與建筑之美互相交融,我想這也是每個結構工程師對于結構美學的終極追求吧。

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