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漫话结构 精选

已有 5270 次阅读 2016-11-10 09:31 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:结构

漫话结构

结构这个词,无论我国还是西方,来源都是从民用建筑来的。我国早在三千年之前的《周礼》这部书的《考工记》中就已经记载了各种建筑的形制。到了汉代在王延寿的《鲁灵光殿赋》中说:“于是详察其栋宇,观其结构。”出现了结构这个词,意思是把建筑用材和构件按照一定要求搭接在一起的建筑。在西方的语言里结构(structure)这个词,也有把东西系统地组合到一起的意思。

结构这个词后来被移植应用于许多领域,在物理学中有原子结构、物质结构,在化学中有分子结构、蛋白质结构,在生物学中有组织结构、结构生物学,在天文学中有宇宙结构、星云结构,在数学与计算机科学中有数据结构、结构数学,在地学中有地壳结构、板块结构,在语言学中有语法结构,在文学中有小说结构、叙事结构,在美术中有绘画结构、美术结构化,在书法中有间架结构,在哲学中有结构主义,等等。它们的意义都是从把单元有系统地组合到一起这个意思引申出来的。结构这个词能够被延伸应用得如此广,可见结构原始意义的重要和它对于人类生活的深远影响。

随着结构种类的多样化和复杂化,结构的概念也在扩展。目前,所谓结构,是指凡是能够承受一定荷载的固体构件及其系统的人造物都统称为结构。从更广义的意义上说,凡是承受一定载荷的固体构件及其系统自然物,如植物的根、茎、叶、动物的骨骼、血管、地壳、岩体等也可以看作结构。

可以毫不夸张地说:结构是人类文明的脊梁。人类从穴居野处进步到“凿户牖以为室的盖房子住,这是迈向文明的一大步,要造房子,就有最早的承力结构。几千年来各种建筑风格的内外装修,都是附着在结构上才能够表现出来。音乐的发展需要逐渐成熟起来的音乐厅,工业的发展依赖于各种专用的厂房建设、依赖于各种工程结构的出现。戏剧、电影的发展有赖于剧场和演播厅的建设,绘画和雕塑的发展则有赖于陈列厅的建设,而这些厅堂的建设又是取决于相应的结构。所以,人类的文明是依托于结构的发展而进步的,结构是人类文明的脊梁,此话不假。

结构的发展紧密地和结构材料与结构力学有关。前者可以看作结构工程的硬件,后者可以看作结构工程发展的软件。

首先是材料,在几千年的结构发展过程中,最早结构材料是木材,后来是砖石与木材,直到18世纪之后才逐渐有了混凝土、钢材作为主要的结构材料。到20世纪,结构材料就更多了,铝合金、高分子材料、复合材料、玻璃都是使用得很多的结构材料。


图1 雅典女神庙,坐落于雅典卫城,建于438B.C.

图1是古希腊坐落在雅典卫城。建于公元前438年的雅典女神庙。主体结构基本上用的是石材。这是由于在希腊,当时石材比较方便。图2 是河北赵县的赵州桥,桥长50.82米,跨径37.02米,券高7.23米,两端宽9.6米,栱长37.4米,建于隋朝大业年间(公元595年-605年),由著名匠师李春设计建造,距今已有1400多年的历史,是当今世界上现存最早、保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥。


图2  赵州桥.

在古代的中国,木材一直是建筑结构的主要用材。唐代杜牧写的《阿房宫赋》描写秦时建的阿房宫的富丽堂皇。文章开首第一句就说:“六王毕,四海一,蜀山兀,阿房出。”意思是说,秦始皇统一中国后,盖阿房宫,把蜀山的树木都砍光了。形象地说明当时建筑结构大量地使用木材的情形。木材为主要结构的建筑,经不起腐蚀、火灾和兵乱,所以不像古希腊以石材为主的建筑至今两千多年,还能够看出当年建筑的大致模样。我国的古建筑多以木材为主要结构,秦汉时代的建筑已见不到踪迹,现存最早的木结构建筑应当是经过梁思成、林徽因夫妇认证的五台山的南禅寺了。它距今已有1200多年的历史(图4)。图3是山西应县佛宫寺释迦木塔,建于公元1056年,距今已经接近一千年了。释迦塔塔高67.31米,底层直径30.27米,呈平面八角形。全塔耗材红松木料3000立方米,木材重达2600多吨,纯木结构、无钉无铆。塔内供奉着两颗释迦摩尼佛牙舍利。释迦塔除经受日夜、四季变化、风霜雨雪侵蚀外,还遭受了多次强地震袭击,仅烈度在五度以上的地震就有十几次。木塔能够历千年不倒,在结构上有一定的合理性。

我国以砖瓦为结构材料历史悠久,早在5500年前就已经有了现在形体的砖。4000年前就有了瓦。到了秦代,砖成了木材以外的最重要的结构材料,到了汉代,瓦也发展得很成熟,所以俗语有“秦砖汉瓦”之说。就是说到秦汉时代不仅砖瓦烧制技术已经成熟,而且发展出雕砖和瓦当的艺术门类。雕砖是中国古建雕刻艺术及青砖雕刻工艺品,在青砖上雕出山水、花卉、人物等图案,是古建筑雕刻中很重要的一种艺术形式。主要用来装饰寺、庙、观、庵及民居的构件和墙面。通常也指用青砖雕刻而成的雕塑工艺品。瓦当是古代中国建筑中覆盖建筑檐头筒瓦前端的遮挡。特指东汉和西汉时期,用以装饰美化和蔽护建筑物檐头的建筑附件。瓦当上刻有文字、图案,也有用四方之神的朱雀”“玄武”“青龙”“白虎做图案的。图4 的南禅寺正殿就是砖瓦与木材混合的建筑。而图5是五台山显通寺的无梁殿,纯粹是由砖材卷成栱形结构组成。外观是两层结构,实际是个一层的穹窿栱洞,栱洞由一块块青砖垒砌,边往上砌边收缩。通高达20.3米,面宽28.2米,进深达16.2米,建于明代,全部是栱结构套栱结构组成(图6),其结构之巧思,为国内仅见。

图3 应县木塔


4 五台山南禅寺正殿

显通寺无梁殿

5 五台山显通寺的无梁殿


6 显通寺无梁殿的内部结构图

1774年,英国工程师斯密顿(J.Smeaton)在建造海上灯塔时石灰。粘土、砂混合物砌基础,效果很好。1824年英国石匠营造者亚斯普丁(J. Aspdim, 1779-1885)取得了烧制水泥的专利,因其与波特兰地方的石材很相近,所以称为波特兰水泥。法国1840、德国1855设水泥厂。所以到19世纪中叶混凝土就开始大量生产,混凝土一旦来到世界上,就立即成为主要的建筑结构材料,产量迅速增长,据统计,直到1970年世界每人每年使用水泥156公斤。与混凝土几乎是同时,19世纪中叶之后,炼钢技术得到普及,人们学会了大量生产钢材,于是在结构上普遍采用钢铁。钢结构的桥梁、钢板制造的船舶军舰等大量出现,随后又发明了钢筋混凝土作为主要的结构材料。大约在同一时期,关于结构及其构件的力学行为的学问——结构力学也得到了发展与成熟。

我们在前面列举的几样建筑结构,都是人类几千年积累的经验和智慧的结晶,其宏伟和设计的精妙,都会让人叹为观止。可是,在进入19世纪,在人类有了混凝土和钢铁,特别是在指导结构设计的结构力学达到成熟之后,人类的结构起了翻天覆地的变化,新的结构、新的高度、新的跨度不断翻新,令人目不暇接。现在就让我们举一些例子,领略一下在新的条件下结构的变化。


7 巴黎艾菲尔斯铁塔

图7是著名的巴黎埃菲尔铁塔,是为了纪念1789年法国大革命100周年,在巴黎举行的世界博览会开幕前落成的,得名于设计它的著名建筑师、结构工程师古斯塔夫·埃菲尔(Gustave Eiffel ,1832-1923)。铁塔全部是预制的钢构件连接而成,高300米,天线高24米,总高324米。钢铁构件有18038个,施工时共钻孔700万个,使用铆钉250万个。除了四个脚是用钢筋水泥之外,全身都用钢铁构成,塔身总重量7000吨。塔分三楼,分别在离地面57.6米、115.7米和276.1米处,其中一、二楼设有餐厅,第三楼建有观景台,从塔座到塔顶共有1711级阶梯。铁塔的设计,除了需要精确的力学计算和分析外,还需要把每一个部件的尺寸仔细校准,并画出图纸,全部设计总共画出约5000张图纸。它是钢铁作为结构材料之后出现的钢结构的代表性作品之一,也是现代结构力学的胜利。

铁塔的设计者艾菲尔斯,毕生主要贡献是设计了许多著名的钢结构工程,巴黎铁塔之外,还有几座著名的钢结构的桥梁和纽约自由女神的钢结构支架。可以说他是一位钢结构时代的代表性的工程师。

1871年10月8日至10日芝加哥市一场大火,约6.5㎞²土地上的市区(包括商业区)建筑物几乎全部被烧光。火灾之后重建,恰好是新结构材料与新结构设计来到世界上寻求用武之地的时期。于是在这里产生了世界上第一栋采用钢构架的摩天大楼,以此开始了芝加哥不断创新的城市建筑在世界范围的声誉。1893年,芝加哥主办的世界哥伦布博览会的成功,使芝加哥的“摩天大楼”迅速向纽约、向世界各大城市扩散。今天,在芝加哥40层以上的楼厦就有50多座,1973年竣工的西尔斯大厦(图10),高443米,是当时世界上第一高楼。


图8 艾菲尔斯像

   

图9 芝加哥的摩天大楼


10这座凌空的玻璃房位于芝加哥西尔斯摩天大楼的103层,距离地面412米,整体用厚达1.5英寸的透明玻璃制成,可承受5吨的重量。玻璃房高10英尺,宽10英尺。


有了新的材料,并不是单靠这些新材料的堆砌就能够建造出新型的结构的,还需要在发展到新的水平的结构力学的指导下才会有竞争力的新结构出现。大跨度的桥梁(图11、13、14)、新型的殿堂结构(图12)、航空结构(图15)、新的大型机械(图16)、大型轮船(图17)、巨型火箭,没有精细的结构分析和计算,没有现代的结构力学理论作为指导,是不可能成功的。结构新材料和结构力学的研究,这是现代结构发展的两翼。人类21世纪的结构,将在这两翼的支撑下,向更高的结构水平展翅飞翔。


图10 芝加哥希尔斯摩天大楼


11 建于1888年的巴黎跨塞纳河的钢结构栱桥其矢高与跨度之比为1/17,大桥的跨度为350 英尺


12 网架结构



13 竣工于1937年的旧金山金门大桥,跨度4200英尺


14 上海的斜拉式南浦大桥,主跨423

欧洲首架空中客车A380飞机交付法国航空公司

15 空中客车


16 大型汽轮机转子

17 大型客轮


18 巨型火箭


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