力學(xué)之美

伍佩

世人從不吝嗇對建筑的贊美，謂之為“流動的音樂”，

卻認(rèn)為“土木土木，又土又木”，

作為一名準(zhǔn)結(jié)構(gòu)工程師的我，

我卻認(rèn)為力學(xué)之美同樣震撼人心。

結(jié)構(gòu)之美，最先出現(xiàn)在專業(yè)課的學(xué)習(xí)中

結(jié)構(gòu)力學(xué)，是每一名土木專業(yè)學(xué)生的必修課，對同濟(jì)土木人而言，朱慈勉老先生的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課令人向往。不同于純粹地講結(jié)構(gòu)內(nèi)力求解計算，朱老先生作為概念結(jié)構(gòu)力學(xué)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(xué)到講臺上比劃、演示。有著老先生如此生動的教學(xué)演示，剛進(jìn)入這個專業(yè)的我，頓時覺得結(jié)構(gòu)力學(xué)是最有趣的一門學(xué)科。此外，老先生還有獨(dú)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(xué)習(xí)的深入，我逐漸發(fā)現(xiàn)，只要理解了結(jié)構(gòu)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(fù)雜的對稱結(jié)構(gòu)，可以通過合理的等效和轉(zhuǎn)化，折算成若干個簡單的半邊結(jié)構(gòu)，大大減少計算量。我想，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之美，還在于其極高的力學(xué)效率

在六年多的學(xué)習(xí)中，我也對各種不同的結(jié)構(gòu)類型有了了解，而每一種結(jié)構(gòu)類型都是對應(yīng)于其結(jié)構(gòu)的需求而產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)工程學(xué)就像是一個求解器，合理運(yùn)用不同材料的力學(xué)性能，及不同結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計，讓荷載能夠以最高效的方式傳到基礎(chǔ)。比如，拱結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度。將其運(yùn)用于塔結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計，我們往往采用拋物線的構(gòu)型，以對應(yīng)塔身在風(fēng)壓作用下，截面彎矩的變化趨勢；廣泛應(yīng)用于體育場館和公園休憩平臺的索膜結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

如今，我們常用數(shù)值模型尋找合理的結(jié)構(gòu)，而在沒有計算機(jī)輔助設(shè)計的過去，這種分析更是需要巧思。20世紀(jì)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(shè)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(jìn)行研究，因為大自然往往展現(xiàn)出驚人的力學(xué)效率。不難發(fā)現(xiàn)，一個優(yōu)美的結(jié)構(gòu)，一定是受力最合理、傳力路徑最簡單的結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)師是夢境的實(shí)現(xiàn)者。如果說建筑的美，是流動的音樂，那么結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(xì)的懸索是如何拉起車輪下的混凝土橋面板。在這些結(jié)構(gòu)中，我們能直接地感受到結(jié)構(gòu)所帶來力量感。然而，這些構(gòu)件僅是發(fā)揮各自應(yīng)有的功能，當(dāng)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(jié)構(gòu)，頂部是一根根拱形的鋼梁從天窗直飛入兩側(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)充滿了對自由和和平的向往。當(dāng)時，我就對朋友說，這個建筑不太像由建筑師設(shè)計的，查閱資料后發(fā)現(xiàn)，車站的設(shè)計者正是有著建筑師和結(jié)構(gòu)師雙重身份的西班牙設(shè)計師Santiago Calatrava。因此結(jié)構(gòu)之美，在于其力量的表達(dá)，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(jié)構(gòu)與建筑的關(guān)系，似乎結(jié)構(gòu)的功能往往被建筑的光芒所掩蓋，但我認(rèn)為，結(jié)構(gòu)和建筑的美學(xué)之間應(yīng)有互動，結(jié)構(gòu)之美應(yīng)與建筑之美互相交融，我想這也是每個結(jié)構(gòu)工程師對于結(jié)構(gòu)美學(xué)的終極追求吧。