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《西方建筑结构七讲》

[英]雅克·海曼 著 周克荣 译

同济大学出版社

千百年来，在人类波澜壮阔、百感交集的建造行为中，建筑成果的艺术属性和工程属性一直并存、不可分别。人类在经过建造物表白其肉体追求的同时，也经过建造物表示其发现并驾驭自然约束力的努力。结构技术的不时创新突破贯衣着2000年人类建造的历史。而自现代结构工程学科降生以来，结构工程技术的进步更是一日千里。人类近两个世纪以来的建筑辉煌基本都集中表往常结构工程和建造技术的进步上。

在结构工程技术不时进步的历史中，一直渗透着人类经过技术的突破来表白的人类关于美、关于理性逻辑等肉体层面的追求。那么今天，随着人类关于自然约束力的驾驭才干不时地进步，简单的高度和跨度的突破已不再是结构工程师难以逾越的通途，人类无限的想象力和发明力加上计算技术的飞快展开推进着新型结构方式的不时涌现，自然约束力的极限被不时突破，透过结构工程技术的进步而表示出来的当代肉体追求是什么？结构工程技术明天将会向着什么方向“进步”?

伍 江

摘自《西方建筑结构七讲》序

《西方建筑结构七讲》是一本关于结构工程理论和历史的著作。全书分为7个章节，对结构理论的各个方面中止了叙说，依照时间次第依次展开。在一定水平上，这7个篇章也构成了学科简史。

关于普通读者来说，这本书生动易懂、趣意盎然，不为专业所限；关于有结构工程专业背景的读者而言，书中衔接的历史演绎和深化的哲学逻辑则会使你对结构工程学科产生更为纵深和更为宽广的思索。

内文试读

大不列颠的第一位现代土木工程师是约翰·斯米顿（1724－1792），于1994年悬挂在威斯敏斯特教堂北侧走廊的一块牌匾用文字记叙了他终身的成就。上方的橱窗还悬挂有本杰明·贝克爵士（福斯桥）、帕森斯（汽轮机）、开尔文勋爵和亨利·罗伊斯爵士的留念牌匾，左近是托马斯·特尔福德、詹姆斯·瓦特、伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔以及乔治和罗伯特·斯蒂芬森的留念碑。这是教堂的“工程师角”。近在天涯的是建筑师（乔治·吉尔伯特·斯科特爵士，夏尔·巴里爵士，约翰·皮尔逊）、科学家和数学家的墓碑，其中，牛顿墓碑庄严庄严恰如其分。

建筑师、工程师、科学家和数学家的确应该汇合在一同。通常这四种专业会同时包含在一项工作之中，很难分辨工程师和科学家的工作——工程师也采用牛顿的数学和法拉第的物理定律，他们和科学家用共同的专业言语描画他们处置问题的工具。

但是，两者应用工具的措施不同。科学家应用这些工具来加深对自身学科的了解。而工程师则将其应用于工程理论中，不论是设计涡轮叶片、电子电路和射电望远镜，还是在英吉利海峡下开挖隧道，亦或建造大型建筑——哥特式大教堂或钢框架摩天楼。

为自己的工程项目树立理论基础成为推进斯米顿取得科学成就的动力，正是在这个意义上他能够被称为现代工程师。斯米顿的成就在他年仅28岁时就取得了认可——其当选为英国皇家学会会员。在17世纪，英国皇家学会和法国科学院的“科学”研讨成果无疑应该能够立刻在实践中得到应用；这也的确是弗朗西斯·培根“新哲学”的完好企图。不外，“科学”与“工程”之间的裂痕疾速扩展，早在1783年，剑桥大学就设立了一个自然实验哲学教职以保障工学作为一个独立的学科展开。为了向年轻军官传授水力学、土方工程和测绘学问，1749年初，法国在梅济耶尔树立了一所专业性大学（并在19世纪来临前树立了大学和理工学院）。

但是，18世纪的大学所传授的理论关于那些“为了人类的需求和方便而掌管自然界中庞大动力来源的技术”（土木工程师学会第一任主席托马斯·特尔福德1828 年语）的工程师来说是不够的。作为一个受过良好学校教育的大项目工程师，不得不被迫亲身做实验以树立自己的科学理论。

斯米顿特别喜好阅读，他的藏书来自英吉利海峡两岸的主要著作（当然包含牛顿的《自然哲学的数学原理》（Principia）、贝利多的《水利建筑学》（Architecture hydraulique，1735年）、德萨居利耶的《实验哲学》（Experimental Philosophy，1744年）和维特鲁威的著作，等等）。

18世纪结构工程的普遍四大问题是梁的强度、柱的强度、拱的推力和土压力（即挡土墙后的土的性能，该问题目前归属于土力学范畴）。从梅济耶尔毕业后不久，当夏尔·库仑作为一名青年军官被派往马提尼克岛，修建防御工事时，他发现自己缺乏关于这四大问题的理论学问。

为了设计防御工事，他需求找寻答案，所以9年后，当夏尔·库仑从海外回到巴黎时，他用一篇著名的论文（1773年）向法国科学院证明了自己在理论方面的建树。该论文的第四节内容对土力学学科作出了基础性的贡献，库仑也因而被工程师们视为该学科的奠基人。

▲夏尔·库仑第一篇科研论文

后期由于其在电荷方面的贡献，夏尔·库仑被物理学家们所铭记，但这些物理学家并不知道他也是位土木工程师。像库仑一样，斯米顿感兴味的课题范围很广，他向英国皇家学会提交了自己的科学著作。1750－1788年间，斯米顿在《哲学汇刊》（Philosophical Transactions）上发表了18篇论文（库仑在1773－1806年间向法国科学院宣读了32篇论文）。在论文中，斯米顿关注于三个方向的课题研讨：仪器、天文学和力学。他对航海、天文观测和仪器制造都表示出浓厚的兴味，在其职业生活的早期和晚期，关于这些学科的论文既严谨又复杂。但是，在已发表的论文中，有三篇论文是属于不同范畴的，它们触及理论力学方面的基本问题。

在1759年，由于《关于用自然水力微风力转动碾磨机的实验研讨》（An Experimental Enquiry Concerning the Natural Powers of Water and Wind to Turn Mills）这篇巨大论文，斯米顿被授予柯┒贷奖章，这是英国皇家学会对原创性研讨所颁发的最高奖赏，而当时斯米顿年仅35岁。库仑的研讨工作集中在固膂力学方面；斯米顿的研讨则偏重于流膂力学，这又是一门可用于工程设计但尚未树平面系的基础科学。斯米顿熟知已有的法国理论，他用自己的实验分明地证明这些理论错在何处。事实上，在这个时期，斯米顿的理论研讨并没有处置一些基本问题，而10年后，由于法国人博尔达在数学方面取得的成就，叶轮机最终呈现。在1759年，动量、能和功的概念还很含糊，应该如何用数学方式表白它们？斯米顿在剖析研讨方面取得长足停顿，因而能够对碾磨机中止正确的设计。

以上一切的科学工作反映了当一个工程师为理处置前所未遇的问题，不得不面临因扩展基础科学学问贮藏所引发的艰难。斯米顿的18篇论文自身是有价值的，表明他对自己的专业所做的贡献——树立了能够被了解、传授并被后继者采用体会的思想。实践上，这些论文只是设计和实施大量土木工程业务的副产品。

或许斯米顿最著名的作品是1756年9月他设计的第一座灯塔——埃迪斯通灯塔。他亲笔撰写《埃迪斯通灯塔设计记叙和施工阐明》（Narrative of the Building and a Deion of the Construction of the Eddystone Lighthouse），并于1791年成书出版。

该书论述了一名土木工程师是如何取得一些新成就的。受托人必须同意用石头建造房子；斯米顿亲身去普利茅斯丈量该地的岩石（为此他发明了自己的丈量设备）；对每层石块采用共同的交错砌筑方式来提升结构整体稳定性；经过实验，最终肯定石灰与白榴火山灰的细致配合比，构成一种能在海水中结硬的砂浆；思索风和海浪的影响，对灯塔采用连续弯曲的外形。

最后，斯米顿确保该项工作得到有效的执行——工程师的任务并不只限于提供设计理念，也不只是运用计算和制图对这些理念中止包装后即告终了，工程师必须保障项目取得预期效果。

▲埃迪斯通灯塔（斯米顿绘图的雕板）

在埃迪斯通灯塔完成后的20多年里，即从1760至1783年，斯米顿承接了满满的工程项目。他设计了50多个水车微风车，还有10来个用于供水和泵水的蒸汽机。这些当代称之为机械工程的项目引发了动量和能方面的问题，他尝试去找到这些问题的解答。在土木工程范畴里，斯米顿设计了4座大的公共桥梁，其中3座精巧的砌体拱桥位于科德斯特里姆、珀斯、班夫，还有6座用石材或砖建造的小桥和两条渡槽。斯米顿对福斯和克莱德运河的运转发挥了积极作用；为持续改善一些河流的飞行作出了贡献。同时，他的工作还触及大型港口、码头和沼泽排水系统。

在1760年之前，土木工程专业简直不存在，10年后，如现代咨询工程师一类的职业已基本构成，斯米顿正是其中的出色代表。同往常一样，咨询工程师们去往需求且能够发挥个人才干的中央。他们依据所控制的学问中止各项设计，当学问贮藏缺乏时，积极展开理论和实验研讨，为自身学科的展开作出贡献。假如必要的话，工程师还会配备助手，从而保障工作的正常中止。

* 以上图文节选自《西方建筑结构七讲》一书“第1章 土木工程师”。

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资料：同济大学出版社

编辑：周玉