力学之美

伍佩

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

我常覺得，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。