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我眼中的建筑与力学摘要：近年来，科学研究步入健康的发展道路，国民经济飞速增长，使我国的高层建筑、大跨度结构、电视塔、广场等得到了飞跃的发展。伴随着经济的发展，人们对建筑的要求越来越高。而建筑的安全性、经济性、美观性等等都与力学有着千丝万缕的联系。本文从此处着手，意在让大家了解和关注建筑与力学，从而一起努力，共同促进建筑与力学的更好发展。关键词：建筑 力学 安全性 经济性 力与美一、引言 近年来，科学研究步入健康的发展道路，国民经济飞速增长，使我国的高层建筑、大跨度结构、电视塔、广场等得到了飞跃的发展。出生在这个时代的我见证了祖国大地上一项项伟大的工程：深圳地王大厦、上海金茂大厦、浙江体育馆、天津市新体育馆、以及上海电视塔，于是从小就立志将来一定要建造出最宏伟、最天马行空的建筑来。那时，在我眼中，建筑只是艺术加上砖瓦的堆砌，从来没想到过建筑跟力学会有什么关系。后来我很幸运的来到我们土木工程与力学学院，在这里惊奇地发现了建筑的与力学千丝万缕联系着的另一片天地。二、建筑的安全性与力学用事实说话吧，课堂上周老师给我们介绍的各种工程灾害导致的悲剧让我们刻骨铭心，而周老师说这些工程灾害发生的本质原因是力学问题没有处理好。 2.1.塔库马大桥的倒塌。1940 年，美国西海岸华盛顿州，建成了当时位居世界第三的塔库马大桥。这是一个悬索桥，当时这个桥梁的设计师设计这座桥梁可以抵抗每秒 60 公里的风速。然而，非常不幸，桥造好刚刚四个月，就在每秒 19 米的小风吹拂下，倒塌掉了。为什么呢？原来塔库马大桥是非常不幸的，它建造的时候，塔库马本身固有的频率和每秒19 米风下吹来的下面的卡门漩涡的脱落频率刚好一致。所以，这么虽然小小的漩涡不断地在大桥侧面产生一个周期非常小的作用力，产生共振，长期共振下去，桥就倒掉了。所以，现在造任何大桥，都必须经过风洞实验。2.2.德国的快列车出轨。1998年6 月3 号让德国人非常骄傲的德国快列车突然出轨，造成了102 人死亡，88人受重伤的惨剧。事故发生当天，德国政府就宣布，所有德国行驶的高速列车一律降速，降到每小时 60 公里以下。那么，为什么会造成这次事故呢？事后调查结果是，原来每一个车轮上面都有一个卡箍，就是防止车轮跑出来的一个非常小的部件，其价值大概不会超过1000 马克。就是那样一个部件由于长期运作产生了力学的疲劳断裂而断掉了。最后火车在穿过高速公路的桥梁的时候，那个断掉的卡箍碰到桥梁旁边的部件，产生一个侧向力让火车出轨。火车出轨的时候，刚好像一把刀子一样，切断了高速公路的桥墩，高速公路整个压在列车的车厢上面了。所以，102 人当场死亡。这是一次非常惨痛的教训。随着社会经济的飞速发展，各种建筑工程也飞速发展起来。但是伴随着工程的发展各种工程灾害也接踵而来，给人民的生命财产造成了巨大的损失。因此，如何借助力学减少工程灾害的发生，已成为世界各国广泛关注的课题。力学对于建筑安全性举足轻重的地位于此便不言而喻了。 三、建筑的经济性与力学 对于力学在建筑中的巧妙运用而达到经济的效果的例子不胜枚举。唐代李肇讲过这样一个故事：在苏州建造重元寺时，工匠疏忽，一柱未垫而使寺阁略有倾斜。若是请木工再把寺阁扶正，费工费事又费钱。寺主为此十分烦恼。一天，一外地僧人对寺主说：不需要大劳力，请一木匠为我做几十个木楔，可以使寺阁正直。寺主听了他的话，一面请木工砍木楔，一面摆酒盛宴外地僧人。饭毕，僧人怀揣楔子，手持斧头，攀梯上阁顶。只见他东一楔西一楔，几根柱子楔完之后，就告别而去。十几天后，寺阁果然正直了。（李肇，唐国史补卷中） 小小几个尖劈，作用却这样巨大！原来这正是利用了尖劈的力学原理，从而节省了许多人力物力。由此可见力学早在我国古代就对建筑工程的经济性发挥着重要作用了。 伴随着经济的发展，人们对建筑的要求越来越高，许多巨大宏伟的建筑工程正在紧锣密鼓地进行着。在这个时候建筑的经济性往往是至关重要的。就我们国家自己的事情而言，建筑工程中个别力学问题迫切需要解决。诸如长江三峡工程中水吃叶轮问题，目前尚在进一步的研究中，非常厚的叶轮居然几天之内被水吃的那么薄，真让人难以置信。或许这其中还牵涉到化学问题，甚至其他多方面的问题。然而力学问题对于这个问题的解决必将是至关重要的。如果这一问题不能及时解决，那么国家需要一个月换一次叶轮，每个叶轮造价绝对不低于一万元，这样下去几十个叶轮同时工作，这对国家的经济是一种多么大的损失呀。就是这样的力学问题在建筑工程中时时刻刻都会发生。2004 年中国申奥成功，我们又将面临许多新的力学难题，游泳池的修建，火炬台的修建等等难以避免的客观难题。如果在这些工程中，我们能够合理巧妙地运用好力学，那将为我们国家节省资源和财产啊。四、建筑的力与美 自然界在本质层次上是美的。而揭示与描述自然之奥妙的力学就具有相应的美学特征。建筑大师奈尔维曾经说：“建筑是，而且必须是一个技术与艺术的综合体，而并非是技术加上艺术。”也就是说，建筑中既有技术的因素，也有艺术的因素，并且两者在各个层面都有交叉复合，不能把技术因素与艺术因素分开处理。 在此我更愿把建筑看作是一个与人共生的生命体，我们可以把建筑中的很多元素类比成生命体中的等价物，比如：建筑的给排水对应生物的血液循环系统，建筑的控制系统对应生物的神经系统。而人的眼睛被比作心灵的窗户，这之间的关系也不是偶然的。如果说一个人长得美，我们首先想到的应该是细致的肤色文理、匀称的形体姿态。那么建筑物也可以以此作为评判标准的话，那么这两个评判标准分别可以说成是建筑材料和结构造型了。而这两者都是离不开力学的。4.1.建筑材料与力学建筑的建造和建筑的空间、功能、文化这样一些概念是紧密联系，互相制约的。说到空间感受，你自然很难把它与建筑的材料分离开来。安藤忠雄曾说到：“材质之间的对话为把我想象中的空间付诸实施提供了主要的支持。”简单地说，就是如果你在室内的墙面上使用了镜子作材料，你会觉得空间被扩展了，因而很多人用这种方法来使室内显得宽敞。自从工业革命以后生产力进一步提高，科学发展更为迅猛，伴随着力学、化学、物理学、生物学等科学理论的完善，实验仪器的进步，以及计算机的广泛使用，新材料层出不穷。我们在建筑中提到的材料主要是指结构材料。结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。正如上文所提到的，力学是结构材料的基础，因而对于一个建筑，其是否美观、经久耐用，我们就需要看它的材料是否具有很好的力学性质。在众所周知的奥运会水立方中，膜材料的应用就得到了完美的体现。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构ETFE 材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。国家体育馆工程承包总经理谭晓春透露，这种材料的寿命为20多年，但实际会比这个长，人可以踩在上面行走，感觉特别棒。目前世界上只有三家企业能够完成这个膜结构。这一个材料的力学性质得到很好利用的典型例子。 4.2.结构造型与力学 结构式建筑的骨骼。人有人的骨骼，动物有动物的骨骼，大千世界千奇百怪的生命体，很多都依赖骨骼承托着身体的重量。地球上生物的进化规律是，越是高等的生物，骨骼就越复杂。而建筑业是一样，建筑的造型、空间等等内容都依赖它的骨骼结构承托着。正如同不同的生命体有不同的骨骼一样，不同的建筑也有着不同的结构。然而，无论是何种结构，建筑必须做到结构的美才能实现建筑的美。 首先，结构美是一种科学理性的美。美国著名建筑学家巴克明斯特. 福勒说：“合理的形式就是美的。”结构美遵从的基本原则就是力学原则，而力学法则是一种客观的自然规律。在这一点上，我们无论对建筑造型做何种处理，其基本的机构规律应当符合自然规律，符合力学原理，从而才能保证所造出来的形式是美的，合理的。 除了一种科学的理性美，结构自生还带有一种形式美。在满足科学原理的范围里，可以有多式多样的形式造型。需要强调的是结构自身的美，包括结构的规律性、尺度感和搭接方法等所体现的美感都是建立在恰当的力学原理的基础上的。 力的法则是这些结构美的重要基础。如果仔细分析一下，可以把它分为客观的力的作用和主观的力的感觉，或者叫做力量感。力的作用是一种力学规律，它由结构的类型、材料、重量等等这些客观物理元素构成，并使用科学的方法加以分析和计算。而力的感觉则可以说是心理学规律。这也是极为重要的一个方面，我们的心理感受在建筑中所起的作用往往是十分巨大的。因此建筑师在处理结构造型的时候，要把力学规律和心理学规律综合起来考虑。下面我们以北京奥运会主体育场设计方案为例。网壳可以看成是网架与壳体的结合。其原形可以看成是一个鸟巢。因为它满足网架单元均匀分布的整体性，在力学上符合结构造型原理。而在美学上这种网壳结构概念的回归体现出纯粹简洁性。整体上其形态体现出了一种建筑美。五、结语 力学是神奇的，随着力学的进一步完善和建筑业的蓬勃发展，力学必将会在建筑中发挥更大的作用。经过了一学期的学习，我对建筑与力学之间的关系有了初步的了解。然而，力学与房屋建筑之间深奥辩证关系远不止于此。但