力学之美

  • 来源:大学生
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  • 发布时间:2017-05-05 15:12

  世人从不吝啬对建筑的赞美,谓之为“流动的音乐”,却认为“土木土木,又土又木”,作为一名准结构工程师的我,我却认为力学之美同样震撼人心。

  结构之美,最先出现在专业课的学习中

  结构力学,是每一名土木专业学生的必修课,对同济土木人而言,朱慈勉老先生的《结构力学》课令人向往。不同于纯粹地讲结构内力求解计算,朱老先生作为概念结构力学的奠基人,喜欢用概念分析的方法授课。记得上弯矩分配法这一章节时,老先生将连续梁比喻为手拉手的人,说力在梁中的分配和传递,就好比一个人将手臂拧了一下,带动了另一个人的手臂的变形。说到激动之处,老先生还拉着同学到讲台上比划、演示。有着老先生如此生动的教学演示,刚进入这个专业的我,顿时觉得结构力学是最有趣的一门学科。此外,老先生还有独特的一秒钟画出弯矩图的超能力,每每演示总让人觉得难以置信。

  随着学习的深入,我逐渐发现,只要理解了结构受力和变形的基本原理,枯燥和繁琐的求解工作也可变得轻松。比如,一个复杂的对称结构,可以通过合理的等效和转化,折算成若干个简单的半边结构,大大减少计算量。我想,结构的之美,首先在于其传力和受力这一内在逻辑的可知和可解。

  结构之美,还在于其极高的力学效率

  在六年多的学习中,我也对各种不同的结构类型有了了解,而每一种结构类型都是对应于其结构的需求而产生的。结构工程学就像是一个求解器,合理运用不同材料的力学性能,及不同结构形式的受力特点,进行结构的设计,让荷载能够以最高效的方式传到基础。比如,拱结构,我们有合理拱轴线的概念,即总能找到一个拱的形状,让其在给定的荷载作用下仅受到全截面的轴压力作用,充分利用材料的抗压强度。将其运用于塔结构的抗风设计,我们往往采用抛物线的构型,以对应塔身在风压作用下,截面弯矩的变化趋势;广泛应用于体育场馆和公园休憩平台的索膜结构,更是通过张拉力,将本没有承载能力的薄膜材料,组合成形状各异的覆盖结构。

  如今,我们常用数值模型寻找合理的结构,而在没有计算机辅助设计的过去,这种分析更是需要巧思。20世纪西班牙最杰出的建筑家高迪思考平衡拱形时,巧妙地用链条做出悬空的模型,计算出链条的弧形和承载的拉力。他再利用镜子,将链条的形状倒过来,设计出全解面受压的拱形。此外,还有研究者根据自然界的花草虫鱼的形态,进行研究,因为大自然往往展现出惊人的力学效率。不难发现,一个优美的结构,一定是受力最合理、传力路径最简单的结构。

  结构之美,更在于系统的力量

  我常觉得,建筑师是梦境的创造者,而结构师是梦境的实现者。如果说建筑的美,是流动的音乐,那么结构的美,就是凝固的力量。站在广州塔底,能体会24根逆时针扭转的钢柱怎样支撑起了中国的第一高塔;行驶于金门大桥,可以看到纤细的悬索是如何拉起车轮下的混凝土桥面板。在这些结构中,我们能直接地感受到结构所带来力量感。然而,这些构件仅是发挥各自应有的功能,当它们组合在一起,一种系统的力量美便产生了。

  这种力量感带给我的最高震撼,是在我站在纽约世贸中心新地铁站的时候。那是一栋纯白的钢结构,顶部是一根根拱形的钢梁从天窗直飞入两侧的隔墙,天窗的末端,中轴线上的主梁下沉,次梁上拱后落地,像极了某种动物的骨架。走出地铁站,室外的结构由交叉上升的钢梁形成了一双翅膀的形象,站在飞升的钢梁下抬头向上望,只觉得整个结构充满了对自由和和平的向往。当时,我就对朋友说,这个建筑不太像由建筑师设计的,查阅资料后发现,车站的设计者正是有着建筑师和结构师双重身份的西班牙设计师Santiago Calatrava。因此结构之美,在于其力量的表达,在于其对建筑的支撑,在于它为一幢优美的建筑物提供了一个最牢固可靠的骨架。

  我们常探讨结构与建筑的关系,似乎结构的功能往往被建筑的光芒所掩盖,但我认为,结构和建筑的美学之间应有互动,结构之美应与建筑之美互相交融,我想这也是每个结构工程师对于结构美学的终极追求吧。

  记者手记:

  “什么样的人适合读土木工程专业?”记者问。

  “我觉得是踏实、能干、肯钻研。”研三女生伍佩说。

  一坐在记者的对面,伍佩的神态始终给人的感觉是踏实,处处体现着土木专业气质,踏实、能干、肯钻研就是对她自己的诠释。伍佩对土木工程的态度已超越了“肯钻研”,在这个“又累又脏”的活儿中,她发现了美。伍佩阐述力学之美时,真的是肺腑之言,记者也不禁向她这样真爱土木的女生致敬!

  邀请伍佩同学围绕“力学之美”写一篇文章,她反复表达“怕水平不够”,盛情难却,她最终答应了请求。伍佩按时交稿,逻辑思路清晰,文字干净利落,完全见不着“水平不够”的影子。这正反映着同济土木人的另一特点——不轻易答应没把握儿的事,一旦答应,便会优质完成任务。

  文/伍佩(同济大学)

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