建筑力学论文

近来与几个年青豆友在网上谈起建筑工程，发觉很多建筑学生 [及环境、规划学生] 都不甚了解建筑结构的力学问题，从而不能充份欣赏建筑艺术的精华。要知道一栋建筑物能盖起而不倒下，物料之间存在力学的平衡，是主要因素。所以中外古今不同地点不同时间，因为材料技术不同，采用的力学方法不同，建筑形式就有大不同。

其实建筑学生要懂的力学知识，深度远不如土木和结构工程学生。只是一定要掌握基本的建筑力学原理，将来当上建筑师造方案时，能有所依据，设计交到工程师手上才不会因为结构不合理而需要大量修改。当然，现阶段的结构计算和先进材料，给建筑师很大的设计空间，差不多任何设计形式，都有办法盖出来了。

建筑结构主要是压力，拉力，剪力和扭力。不论中外，钢筋混凝土发明之前，建筑都是直接承重压力，不采取拉力、剪力和扭力设计。

先讲承重结构： 1. 西方国家的砖石建筑

古罗马、希腊、中世纪、工业革命前的欧洲 都是承重墙 (load bearing walls) 为主。用砖或石一块一块地造墙体，承接屋顶和上层的木梁和板块传下来的重量。加上墙本身的自重 (self load 或称 dead load)，所以欧式建筑都是越低层的墙越厚，因此限制了层高不多，免至首层的墙太厚。又因为墙体都用来载重，门窗洞就不能开得太宽，以免门窗上的横梁承受不了上面的重压折断。后来砌砖技术进步，就懂得用拱眉 (half-round lintel)和尖拱眉 (pointed arch lintel)把压在门窗上的重量分两边传到墙体，洞口就开得较大。

2. 西方国家的圆拱形承重

古罗马很早就懂得用砖石造圆拱形大跨度承重。半圆拱是个平稳而对称的结构，他们建造的砖石桥和水漕直到如今都有保存。半圆拱后来发展成筒拱 (barrel vault)，就成为屋顶如拱状的空间。问题却出在两个筒拱十字相交的位置，如何用砖石砌结大於圆径的拱形而不倒？

罗马人盖得平稳坚固的筒拱，欧洲在中世纪兴建教堂时却碰上困难。因为当时较大的教堂都爱在平面规划做成一个 \十字架\的形状，两个筒拱的天花顶 90度碰合时，对角线上的弧度就成为中央偏平的不稳定椭圆形，常常下塌。一直到 12世纪的教堂建筑才想到绝妙的方法：把半圆形的筒拱改变成中央尖顶的 \歌德式尖拱\。如此在90度碰合的地方还能保持一个较偏平的尖拱，成为稳固的拱顶。这个建筑天花顶的方法一直流传到 \钢筋混凝土\的出现。

3. 东方 [中国] 建筑的木结构

中国建筑的承重方法跟欧洲完全不同。屋顶和上层的重量全由大木造的柱网承担，墙壁的作用只是间隔和防风雨。所以东方建筑 [中国、日本、朝鲜]大都是门窗大开，墙壁用木格纸贴，而平面规划就方正平整，按正方形柱网分布。 这种建筑法有利有弊。好的地方是无承重墙，随便拆去一片墙都不影响稳定性。坏的是只要一根柱倒下，就会牵连到整个结构不稳，连锁式倒塌。再因为整体的柱、梁、顶斜梁都是用木制，有极大火灾的危险，所以中、日、韩现存古建筑比欧洲古建筑少，被火烧掉是其中一个原因。

说现代建筑力学之前，应该简单地说说结构计算时碰到的 5种力。 [驴子上大学前时念了3 年建筑工程课，大学念建筑时亦修了 3年 「结构慨念」，对结构有一点让识，不当之处还请达人指正]。

1. 压力 compression

这是最古老又最常用的一种力学。就是利用物料的承载力量负起加在上面的重量。例如基础，椿，柱，墙，拱，穹顶，横梁的一部份，楼板的上半部份，和三角架组合的上部份。

2. 拉力 tension

钢铁大量生产后，利用钢铁抵抗拉力的特点，钢结构和钢混凝土建筑设计就大量利用拉力计算，特别在大夸度空间和挑梁的设计时，就要把「压力」和「拉力」合并使用。在工地看到楼板和梁的下半部放满钢筋，就是用来抗拒「拉力」。古建筑的木屋顶架构和挑梁，亦是利用木材有限的「抗拉力」达成平稳的结构。

3. 剪力 shear

在横梁与柱的接口地方，必定有一股好像剪刀般的力量加在物料上。压在梁的重力往下压，柱的反抗力往上推；梁在这最大点的「抗剪力」若不够，就会被剪断。

4. 弯曲力 bending

这是在整体结构计算时首先考虑的力。简单地说就是重力使结构弯曲的情况；例如一根2端固定的梁，其中央就弯曲最大；1端固定的挑梁，固定点就弯曲最大。楼房整体亦受到风压作用，越高的楼，它在底部受的「弯曲力」越大。

5. 扭力 torsion

这是结构在同时应对不同方向或力量的反应。例如只固定一面，另一面挑出的 「狗脚梯 (dog-leg stair)」，又如楼房立面受不同风速影响而扭动

其实「建筑力学」慨念不难理解，任何悄有观察力的，在日常生活中就能见到。想当结构工程师当然要下苦功学专业知识；若只想懂力学原理，有点基础数学知识再看几本书就足够，已经可以帮你更好欣赏建筑艺术。

驴子生平最爱把复杂事情条理化简单化，有人写帖骂驴子简单，我却让为人家在赞。简单有何不好？嘿。

为什么说「力学慨念」简单？因为每地每时都见到，凡事举一反三多思考，又不是造热核反应堆，只用简单牛顿定律 \应力与反应力永远相等和相对\ways equal and opposite] 就成。

建筑力学的表现，是一个 \真\字。一切结构上没有需要的配件，都只是装饰和其他功能。当然装饰在建筑艺术并不是不好，否则谁都只盖同一种光脱脱的结构房子，或好像 Mies van der Rohe 的简洁减省到无可再少的设计：他的名句 \Less is more\就是省无可省，再减就做得过多的意思。

搞建筑是否要懂力学？当然需要。房子的稳定性是第一要务，还要表现\真\的艺术精神，用想像力从结构中抽出美的原素。。。都先要懂，才及其他

要建立一套有价值的建筑，就像建造艺术品一样，有它自己的标准。倘若我们目空一切、吹毛求疵地审视它，它就会闭关自守，无可奉告。不过，倘若我们不抱成见、善意地亲近，她就会开诚布公，显现真谛。从建筑中寻得乐趣，可能像自然爱好者从植物中寻得乐趣是一样的。自然爱好者不会说他是宠爱沙漠的仙人掌还是沼泽地里的百合花。自然爱好者热爱生长着的万物，亲身熟悉它们特有的属性，因此就知道在自己面前的是某一品种的一个发育全面的标本或是一个发育不全的单体。我们应该以同样的态度来体验建筑。

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