千年屹立的奥秘:手绘建筑结构之旅

章节摘选 01关于平衡的问题 风的力量很巨大吗？ 是的，非常巨大。风力的大小主要取决于风的强度和速度……例如，施加在一栋6米宽、8 米高的房屋立面上的风力有近3 吨；施加在3 米高、4 米宽的商店橱窗上的风力相当于一辆小轿车的重量。 那埃菲尔铁塔承受的风力有多大呢？ 500 ～ 1000 吨。 的确很惊人！我猜想除了埃菲尔铁塔之外，一定还有其他很多令人惊叹的建筑吧？ 当然了，的确还有许多令人惊叹的建筑。特别是在历次世界博览会期间，很多国家和企业会利用这个机会展示其高 超的建筑技术。 以下是两个与1958 年布鲁塞尔世博会相关的例子，它们可以让我们深入了解平衡的概念。那是在第二次世界大战 之后，一个充满乐观主义的时代。在那个“黄金60 年代”的伊始，似乎一切皆有可能！ **个例子是土木工程馆。但很不幸，为了腾出它所占用的土地，这个展现极佳平衡的建筑已于1970 年被炸毁。 第二个例子是原子塔，它很幸运地保留下来，目前依然是比利时首都的标志性建筑。 有人说原子塔有三个球体是多余的。 事实并非如此，它的每一部分都是不可或缺的。由每个点延伸而来的立方体，使原子塔可以以悬空的形式呈现在世人面前。由于原子塔本身的结构是对称的，所以它本身的重量不是问题，问题是参观者进入球体时产生的作用力和风力会造成的水平力不对称。尽管有三根底部脚柱，但为了确保平衡和限制结构自身产生的力，必须空出位于顶端球体下方的三个球（H），这三个球体与其他球体是不相互连通的，所以我们无法进入这三个球体【图2-7】。 11从张弦梁到预应力混凝土 我*喜欢听故事了！但不要说得太快，这样才能招徕更多的听众！首先，这种新的梁，“张弦梁”是什么？ 张弦梁的原理是这样的。对一根梁施加从上向下的外力，同时我们给它加上一个垂直构件（撑杆），再拿一条缆索穿过撑杆的顶端，并在梁两端系好。缆索的拉力使撑杆受压，撑杆自下向上对梁施力，让梁不会弯曲【图11-1】。为了更容易理解，我们来玩点儿特技！这姿势不太舒服，但是很有效！当你用胳膊拉紧缆索时，你的双腿会将梁向上推（从下向上）【图11-2】。 我的双脚对梁施加的推力抵消了梁的荷载。 没错。这种梁让我们能实现一些很有趣又非常有创意的结构，例如美国弗吉尼亚州林奇堡附近的一座桥，我们之前曾提到过它。我们很容易就能明白这个结构的工作原理。 我们不妨这样思考：首先想象一下，在桥面中间有七根用来支撑的柱子【图11-3】，让我们逐渐去掉这些柱子。首先去掉C 柱，并用相邻柱子上的缆索承受它们的荷载【图11-4】。 然后，对B 柱进行同样的处理【图11-5】……*后的A 柱也进行同样的处理【图11-6】。看，这就是我们想要的桥。这种类型的结构被称为“芬克式桁架”，它是以发明者的名字命名的。事实上，如果我们仔细观察，这座桥并未使用桁架，而是张弦梁的巧妙组合。 真是令人惊奇！ 毫无疑问！但张弦梁和缆索之间更杰出的结合范例是英国的雷诺汽车配货中心。 那预应力混凝土又是怎么回事呢？ 这是一个超棒的发明。 就像我们之前看到的，一根梁在受到外力（从上到下）作用时，会在底部产生拉力【图11-7】。如果是混凝土梁，因为混凝土不能承受拉力，首先考虑的解决方法就是加入钢筋。至于预应力混凝土，则是以两种方法从根本上解决这个问题： ●减轻梁的重量； ●增加梁的抗拉能力。 这些方法都需要结合缆索。 让我们更仔细观察。 观察一根没有拉紧的缆索，也就是“静止的缆索”【图11-8】。如果拉紧缆索，它就会处于水平状态【图11-9】。 有意思！但这对我理解这个概念还是没什么帮助。