力學之美

伍佩

世人從不吝嗇對建筑的贊美，謂之為“流動的音樂”，

卻認為“土木土木，又土又木”，

作為一名準結構工程師的我，

我卻認為力學之美同樣震撼人心。

結構之美，最先出現在專業課的學習中

結構力學，是每一名土木專業學生的必修課，對同濟土木人而言，朱慈勉老先生的《結構力學》課令人向往。不同于純粹地講結構內力求解計算，朱老先生作為概念結構力學的奠基人，喜歡用概念分析的方法授課。記得上彎矩分配法這一章節時，老先生將連續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，老先生還拉著同學到講臺上比劃、演示。有著老先生如此生動的教學演示，剛進入這個專業的我，頓時覺得結構力學是最有趣的一門學科。此外，老先生還有獨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。

隨著學習的深入，我逐漸發現，只要理解了結構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，一個復雜的對稱結構，可以通過合理的等效和轉化，折算成若干個簡單的半邊結構，大大減少計算量。我想，結構的之美，首先在于其傳力和受力這一內在邏輯的可知和可解。

結構之美，還在于其極高的力學效率

在六年多的學習中，我也對各種不同的結構類型有了了解，而每一種結構類型都是對應于其結構的需求而產生的。結構工程學就像是一個求解器，合理運用不同材料的力學性能，及不同結構形式的受力特點，進行結構的設計，讓荷載能夠以最高效的方式傳到基礎。比如，拱結構，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度。將其運用于塔結構的抗風設計，我們往往采用拋物線的構型，以對應塔身在風壓作用下，截面彎矩的變化趨勢；廣泛應用于體育場館和公園休憩平臺的索膜結構，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構。

如今，我們常用數值模型尋找合理的結構，而在沒有計算機輔助設計的過去，這種分析更是需要巧思。20世紀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，設計出全解面受壓的拱形。此外，還有研究者根據自然界的花草蟲魚的形態，進行研究，因為大自然往往展現出驚人的力學效率。不難發現，一個優美的結構，一定是受力最合理、傳力路徑最簡單的結構。

結構之美，更在于系統的力量

我常覺得，建筑師是夢境的創造者，而結構師是夢境的實現者。如果說建筑的美，是流動的音樂，那么結構的美，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，可以看到纖細的懸索是如何拉起車輪下的混凝土橋面板。在這些結構中，我們能直接地感受到結構所帶來力量感。然而，這些構件僅是發揮各自應有的功能，當它們組合在一起，一種系統的力量美便產生了。

這種力量感帶給我的最高震撼，是在我站在紐約世貿中心新地鐵站的時候。那是一棟純白的鋼結構，頂部是一根根拱形的鋼梁從天窗直飛入兩側的隔墻，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，室外的結構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，只覺得整個結構充滿了對自由和和平的向往。當時，我就對朋友說，這個建筑不太像由建筑師設計的，查閱資料后發現，車站的設計者正是有著建筑師和結構師雙重身份的西班牙設計師Santiago Calatrava。因此結構之美，在于其力量的表達，在于其對建筑的支撐，在于它為一幢優美的建筑物提供了一個最牢固可靠的骨架。

我們常探討結構與建筑的關系，似乎結構的功能往往被建筑的光芒所掩蓋，但我認為，結構和建筑的美學之間應有互動，結構之美應與建筑之美互相交融，我想這也是每個結構工程師對于結構美學的終極追求吧。