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中华学生百科全书-第358部分

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这种现象在科学上称为“压杆失稳”。
压杆失稳在建筑上产生过很多严重事故:
1907 年加拿大魁北克的圣劳伦斯河上的钢桥,当时正在架设中间跨桥梁
时,由于悬臂钢桁架中个别受压杆失去稳定产生屈曲,造成全桥坍塌;1925
年,前苏联的莫兹尔桥在试车时,也是受压杆件失稳而破坏;1940 年,美国
的塔科马桥,刚完工 4 个月,在一场大风中,由于侧向刚度不足而失去稳定,
使整个桥梁扭转摆动而破坏;美国东部康涅狄格州哈特福市中心体育馆,能
容纳 12500 人的大跨度网架结构,于 1971 年施工,1975 年建成,在 1978 年
的一场暴风雪中倒塌,事故的原因也是个别压杆失稳。
面对着自然界中的狂风暴雨,青竹节节上升,自然优化,适者生存,合
理受力,给人们带来了众多的启示。

仿蛋建筑

鸡蛋能承受多大的力?
人们有时会打赌——谁能用一只手把鸡蛋捏碎?血气方刚的小伙子急着
上阵,但总是一个个败下阵来。人们不得不承认,鸡蛋能承受很大的力。
鸡蛋受力,原来为业余科学家所青睐。
英国消防队员为了试验鸡蛋的受力,把一辆救火用的消防车停在草地
上,伸直救火梯子,消防队员从离地 21 米高的救火梯顶端向草地扔下 10 个
鸡蛋,出乎意料的是只破了 3 个。
英国皇家空军飞行员也对鸡蛋能承受多大的力产生了兴趣,他们把直升
飞机停在离草地 46 米高的空中,向草地扔下 18 个鸡蛋,结果也只破了 3 个。
英国《每日快报》的工作人员,干脆租了一架军用飞机,以每小时 241 公里
的速度向飞机场俯冲,在俯冲中投下 60 个鸡蛋,结果破了 24 个。
以上是用鸡蛋所做的动力冲击试验。在静力作用下,鸡蛋可以承受更大
的力。
记得有一年中央电视台春节联欢会上,有一女孩表演踩蛋,女孩两手各
提一桶水,双脚踩在 4 个鸡蛋上,鸡蛋安然无恙。
1989 年,日本爱知县的春日井市先生,在汽车前轮各用 34 个鸡蛋,后
轮各用 52 个鸡蛋,总共只用 172 个鸡蛋支承起了一辆大卡车。
根据国外资料介绍,当鸡蛋均匀受力时,可以承受 34.1 千克的力呢!
鸟类的蛋具有如此大的承受力,是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分
不开的。蛋的结构有三层,外层为表皮层,又称闪光层,中层为海绵层,内
层为乳头层,不同的鸟类具有不同的三层显微结构。
蛋壳中,主要成分是碳酸钙,约占 89%~97%,另有少量的盐类和有机
物。
应该说,真正的蛋壳成分仍然是一个谜,还需人们进一步探索。在蛋壳
的成分中,只要加入或减少某一成分都会影响蛋壳的强度,而且各种成分的
比例更是至关重要的。根据国外资料,在美国已经发现有 20 多种鸟类的蛋由
于受农药的影响,而变薄变脆、降低了强度。

奇妙的鸡蛋为我们展现了以最少的材料造出最大的空间,并承受很大的
力的大自然的杰作。一个鸡蛋长为 4 厘米,而蛋壳厚度只有 0.38 毫米,厚度
与长度之比为 1∶130,以其特有的蛋形曲线塑造了它的外形。
具有曲线的外形,厚度又很薄,主要承受压力的结构在建筑上叫薄壳结
构。在“山光物态弄春晖”的自然界中,像鸡蛋那样的薄壳结构是如此的丰
富多彩而变化万千,有禽蛋、贝壳、蚌、螺、蜗牛、蟹、鱼子、眼球、头颅、
豆荚、种子、果核等等,它们以最合理、最自然、最经济、最有效、最进步、
最优美的形式竞相媲美,争放异彩。
要造出像鸡蛋那样的建筑确实不简单呀!人类在蛋形建筑史上经历过相
当艰辛的过程。在文艺复兴时期建造的意大利佛罗伦萨主教堂,其跨度达到
42.2 米,主高度接近 91 米,当时的传记作家和建筑师瓦萨里热情地歌颂它
与四周的山峰一样高,连老天爷看了也嫉妒。但它的厚度却只在 61~78.6
厘米之间,厚度与跨度之比为 1∶60,它并不是薄壳结构而是厚壳结构,而
且它仅是由八瓣组合成的并非球形的建筑。在文艺复兴末期,意大利罗马建
成了圣彼得大教堂,圆圆的球形建筑,像竖放的鸡蛋,圆顶直径 41.9 米,内
部高 123.4 米,但厚度竟达 1~3 米,厚度与跨度之比为 1∶40。直到 1924
年,德国的蔡斯工厂天文馆才建成第一个半圆球形的薄壳结构。1925 年德国
耶拿斯切夫玻璃厂厂房采用了球形薄壳,直径为 40 米,壳厚只有 60 毫米,
采用钢筋混凝土为建筑材料,厚度与跨度之比为 1∶667。
现在,像鸡蛋那样的仿蛋建筑已经很普遍了。美国通用汽车公司技术中
心水塔,法国吐鲁士电子加速器实验站,我国新疆某机械厂的金工车间里像
水珠似的储罐,它们都是绝好的仿蛋建筑。

绝美的黄金分割

1509 年,意大利威尼斯人卢卡·帕契奥里在《上帝规定的比例》一书中,
阐明了1。618与1的比值(即 =1。618),他的好友达·芬奇是当时文艺复
兴的巨人,是一位物理学家、生物学家、地质学家、生理学家、力学家、工
程师、机械师、军事家、画家、雕塑家、歌唱家,被誉为集科学与艺术于一
身的人物,他对“上帝规定的比例”爱用另一个名称,即黄金分割,又称黄
金律。黄金律被认为在构图中是最和谐、最完美的表现,是“神圣的比例”。
德国杰出天文学家开普勒说:“几何学中有两件珍宝:一是勾股定理,二是
中外比。如果第一件是黄金,那第二件就是宝石。”(黄金分割又称中外比。)
15 世纪,意大利数学家帕契奥里为黄金分割列出了一大堆优点,他写
道:“黄金分割对我们的作用是:一、实质性的,二、特殊的,三、无法表
达的,四、无法解释的,五、……最后,十七、是宝贵的。”
公元前300年,古希腊几何学之父欧几里德在几何学上首先提出 =
1.618 值,他在《几柯原本》第五卷中说:“所谓量中第一与第二之比等于
第三与第四之比,是指第一与第三的任何等倍数同第二与第四的任何等倍数
有如下关系:前者的等倍数必相同地大于、相同地等于,或相同地小于相应
所取的后者的等倍数。”这个比例法为值的导出奠定了基础。
古希腊在公元前 447 年至前 431 年,建成了举世闻名的雅典帕提农神庙,
柱高与柱顶至屋顶距离之比也是 =1。618。

文艺复兴时期的“上帝的比例”,事实上是由我国经印度、阿拉伯传入
欧洲的,印度传给阿拉伯之前称为“三率法”,它在我国古算术书上均有记
载,《九章算术》“粟米”章一开始,就列举了各种米的出米率:“粟米之
法:粟率五十,粝米三十,稗米二十七……”即 5 斗谷去皮,可得糙米 3 斗,
又可臼得稗米 2 斗 7 升等等。类似的问题在《九章算术》“衰分”、“均输”、
“勾股”诸章及其他古算书中均有记载,这些内容就是正比例、反比例、复
比和比例分配等,由于这类问题都以“今有”二字起首,在我国古算书中统
称为“今有术”。
一般认为,黄金分割来源于自然界,如鹦鹉螺的螺曲线,其构成与 1.618
相关。在人的身上,广泛存在着黄金分割的比例关系,成年人的腰部是人体
的黄金分割点。近代建筑大师勒·柯布西埃根据对人体的分析,创立了以黄
金分割为依据的人体模度图。
根据勒·柯布西埃分析,高举左手,头顶至腰的距离与手指尖至头顶的
距离之比正好是1。618与1的比值,即 =1。618,由腰至足底的距离与头顶
至腰的距离之比也是 1.618,对于人的脸来说,其高度与宽度之比以及两眼
间的间距与嘴的大小之比都是 1.618,在人体中,到处都充满着 1.618。正如
文艺复兴时期的数学家巴奇奥里所说那样:“……所有的度量和它们的名称
都来自人体,而且在人体中可以找到上帝揭示自然最深邃的奥秘的全部的比
和比例。”在古希腊,人们认为人体是最美的东西,毕达哥拉斯认为:“人
体的美由和谐的数的原则统治着一切。”当时雕塑家费地也说:“没有比人
类形体更完善的,因此我们把人的形体赋予我们的神灵”。
人体是美的数的集合体,建筑要美,当然会自然地模仿人体的各种数及
数量之间的比例关系。在建筑上有两种有名的柱子式样,古希腊人以男人的
脚掌长度是身高的 1/6 应用到柱的高度与直径的比值上,创立了多立克柱,
以女人的脚掌长度与身高的关系应用在柱子上,创立了爱奥尼柱。多立克柱
比例粗壮,刚劲有力,恰如“塞外秋风骏马”,显出阳刚之气;爱奥尼柱比
例轻快,秀美华丽,恰如“杏花春雨江南”,亭亭玉立如少女临风。柱式的
创立,大大地推动了建筑艺术的发展。
古罗马建筑权威维特鲁威说:“建筑物必须按照人体各部分的式样制定
严格的比例。”只有这样,建筑才会越来越美。
从古希腊人崇尚五角星,创立雅典帕提农神庙及柱式,到费地的雕塑品
及伊特拉斯坎人的陶器,黄金分割一直为人们广为应用。达·芬奇应用黄金
分割画出了世界名画《最后的晚餐》。意大利著名小提琴制造专家斯特拉迪
瓦里精通黄金分割,制作了近千把音质优美的小提琴。数学家华罗庚将黄金
分割应用于优选法,可以合理地安排实验和试验,以较少的试验次数找到合
理的配方和合适的工艺条件。建筑师勒·柯布西埃以人体模度图,在长短、
面积、体积等方面设计出一种比格,推动了建筑的标准化、工业化。
黄金分割在人脑中是怎样形成的呢?
根据国外资料,人脑具有精神意识、思维活动等功能,人脑中形成许多
中子网格互相联系起来的结构,中子依靠电信号相互作用,中子的网格、网
络的外形就是振荡电路;人脑在活动中不仅有固定的电振荡频带,而且人脑
电振荡的摆幅和频率也不断地变化。
在人脑中β、、γ(希腊字母)等脑电波中,β波占主要地位,β波
的低频带频率(在电磁波中低波长范围内每秒振动的次数)为 8.13 赫兹(频

率的单位),高频带的频率为 12.87 赫兹,高、低频率带频率之和为 21 赫兹,
而高、低频率带频率之和与高频带频率之比正好为 =1。618,高频带频率
与低频带频率之比也正好为 =1。618。
人脑中形成黄金分割的奥秘终于揭开,可见黄金分割并非简单模仿自然
界中呈现出来的现象,而包含着更深的哲理。自然界中有许多形形色色的
“谜”,而这许多“谜”,正是大自然送给人类的绝妙的产品。

蜘蛛织网与建筑工程

蜘蛛织网,一般利用三点,如墙角、挑出的树梢、石头尖处等,先由三
点连成三角形组成网的边,并由一根特殊的丝通过未来的网中心,然后由边
向网中心拉辐线,到网中心后在相邻的地点向边拉辐线,这样来回拉了几条
辐线后,却跑到相对的那一边去拉辐线,很明显,它正利用静力学以维持网
的平衡。
拉好了所有的辐线,蜘蛛由网中心以螺旋线向外盘旋拉丝线。蜘蛛到了
最外圈后,沿着原路返回,返回时不时地抓起原有的网线聚成小球,固结在
与辐线相交的点上形成很多的小点,在沿着原路返回过程中拉的丝线才是真
正的蜘蛛网线。由外向里盘旋的螺旋线越来越密,形成数学上的对数螺旋线,
这样,曲线由外向里虽然密度增加,但在理论上永远到不了中心点。
建造一所房子,一般有四个步骤:打基础,安置骨架,搭脚手架,拆脚
手架。这与蜘蛛结网真是有异曲同工之妙。蜘蛛以三个固定的点形成三边的
三角形,这与造房子打基础对应。蜘蛛在三角形的三边拉辐线如造房子的安
置骨架。蜘蛛由里向外拉螺旋丝线只是为结真正的蜘蛛网做准备,正如造房
子搭脚手架,只是为了施工时临时之用。蜘蛛由外向里拉螺旋丝线,并随时
把原有丝线去掉固结在网点形成小点,正如造房子时,房子建成后拆去脚手
架那样。蜘蛛真是一个聪明的动物,蜘蛛结网与人类建筑施工是何等的相似
啊!
所有的柔性材料如藤、绳、索都具有极强的抗拉特性,由柔性材料组成
的建筑结构称为悬索结构,它具有跨越大跨度的能力,而且特别节省材料。
蜘蛛网就是自然界中的悬索结构。蜘蛛网能承受很大的力,有的蜘蛛网
上放上一个啤酒瓶也不会掉下地,古代还有人用它捕鱼、捉鸟呢!
我国是最早应用悬索结构的国家,我国利用竹索造的桥在《前汉书》中
已有记载。北宋时期,四川灌县安澜竹索桥横跨岷江之上,长达 344 米,共
分 8 跨,最大一跨为 65.6 米,用 10 根 16.5 厘米直径的竹索组成。我国云南
景东附近兰津桥,建于公元 58~75 年,用铁链造成,横跨澜沧江,跨度达到
82 米,而西方最早出现的悬索桥是公元 1515 年,比我国落后 1000 多年哩!
悬索结构广泛应用于体育建筑。美国的阿拉美达体育馆,就是一张像蜘
蛛网那样的圆形的钢索网,直径为 128 米,外环设置了 32 根钢筋混凝土支柱,
内环直径为 13.8米,内、外环设置了96根钢绞线的辐线,体育馆可容纳15000
多人观看体育表演。北京工人体育馆的双层辐射式悬索结构,外形似平放的
自行车的车轮,有上、下两张网,两张网之间有杆件相联,人类创造的“网”
到底比蜘蛛网要高明,由蜘蛛的一张网变成两张网,承载能力也比一张网要
大得多。
悬索结构,目前有单层的、双层的,有圆形平面的、椭圆形平面的、长

方形的、六边形的,有马鞍形的、双曲面形的、抛物线形的,真是五花八门,
千姿百态。
人们在建筑时,总是自觉地追求美,按照美的规律来建造,随着社会生
产力的发展和人类智能水平的提高,对美的追求和创造更丰富、更凝炼、更
富有哲理、更强调美的综合效果,在认识自然、改善自然中,科学、技术和
艺术的综合的趋势已经形成,正如加拿大学者米克教授指出:“现在,有了
一种新的创造精神,开始重建一个包括艺术、科学和技术都在内的完整而统
一的世界。”在这一方面,美籍华人林同炎成功地设计了一座曲线斜拉桥,
它如众多的“蜘蛛丝”拉着一片细长的树叶一样,构思之独特、工程之巧妙、
造型之优美受到全世界工程技术人员的好评,获得了全国第 26 届优秀建筑比
赛一等奖,被誉为“结构工程与美的理想相结合”的典范。
林同炎设计的曲线斜拉桥位于美国加利福尼亚州的一条狭谷河流上,两
岸山高陡峭,谷深流急,若是采用一般直线形桥,则两岸引桥要挖去大量山
崖,假如采用抬高桥面的方案,虽然避免开挖山崖,但引桥很长,两者都会
使工程造价昂贵。而林同炎先生设计的曲线形桥,很自然地与两岸线路联接,
达到桥与路的有机结合,正如长虹卧波,复道行空,天堑变通途。这桥另一
个特点是采用很多斜拉的索,直接固结于两岸山崖上,一根根斜拉索交叉网
胜似蜘蛛网,奏出一曲美妙的“蜘蛛网”畅想曲。

奇异的螺旋形建筑

你知道江河湖海里有多少螺吗?它们有滇螺、骆驼螺、天狗螺、万宝螺、
马蹄螺、笔螺、凤凰螺……真是数不胜数。
你知道哪里有螺旋线吗?自然界中到处都有螺旋线:所有有回旋形贝壳
的软体运动——螺,都有螺旋线;蜘蛛以螺旋形结网;牛角按螺旋形生长;
向日葵的花子按螺旋形排列;人的内耳耳轮也是螺旋形的。
螺旋形往往是建筑造型的母体,而螺的外形也是建筑师构思的素材。海
滩上各种各样的海螺、贝壳,在波涛汹涌的大海中为生存而搏击,自然的优
化形成了它们优美的螺旋线。当前,“回归自然,崇尚自然”已成热门话题,
所以,一批直接模仿螺的外形的建筑也应运而生了。
我国北国海滨旅游胜地北戴河,有一座可以登高观海的“碧螺塔”,塔
的上部三层模仿海螺壳的十二瓣螺旋,形成层层起翘的挑檐,在海滩的“碧
螺塔”上观看碧螺的家,不是更具有诗情画意吗?我国东南大学齐康教授设
计的福建省长乐度假村小岛上的海蚌塔和大厅,虽然并非直接模仿海蚌,但
却体现出艺术的“神似”,内涵之中蕴藏着海蚌、海螺的螺旋美。印度尼西
亚雅加达泰曼公园有一座金蜗牛电影院,其外形像一只蜗牛,在“蜗牛壳”
中看电影情趣盎然。
世界建筑大师赖特设计的美国古根海姆博物馆,它是倒置的圆锥螺旋线
的外形,参观的人流由中央电梯直送至顶层,然后让他们由螺旋形的楼梯到
各层参观,博物馆由上至下层层缩进,造成既连续又有变化的空间;参观过
程中,博物馆建筑的本身就使参观者产生动态的韵律感。新加坡圣淘沙海上
旅馆高 15 层,采用涡旋螺线的海螺形,整个旅馆像一个雕塑品,而且具有动
态感,真是美极了。
1920 年,前苏联建筑师塔特林曾设计了“第三国际纪念塔”,采用螺旋

形,曾轰动一时。80 年代,美国建筑师海蒙特设计了“太平洋之塔”,高达
548.6 米。高塔由螺旋形结构和中央桅杆组成,像一棵大树爬满了螺旋形上
升的藤,象征着太平洋沿岸国家欣欣向荣、蒸蒸日上的气象。“太平洋之塔”
是作为卫星通讯的地面接收站,意味着太平洋沿岸各国信息的交流、文化的
交流。
随着高层建筑的崛起,在高层建筑中采用螺旋形也日益增多。在 1968~
1972 年,意大利建筑师尼柯莱特和马斯曼塞设计了由三个涡旋螺丝组成的涡
形螺旋摩天大楼,高达 540 米,其核心是由三个桅杆组成的筒状体,具有力
度感和时代感,美学造型精美绝伦。
螺旋线,奇妙的曲线,优美的曲线,“生命的曲线”。它像对数螺旋线
那样,盘旋扩大而上升至远方、更远方,以至无穷,向下盘旋而缩小,又无
法找出其出发点。自然界的一切,都像螺旋线那样的美;自然界的一切,都
像螺旋线那样呈现出无限宽广的图景。

“泡泡大楼”

气泡,在自然界里是很多的。蓝蜻蜒的翅膀由很细的薄膜肋构成,肋之
间就是一张极薄而柔软的薄膜,那是不封闭的“气泡”,叫做不封闭的充气
结构,类似的还有蝙蝠的翅膀。像青蛙的囊袋的“气泡”,叫做封闭的充气
结构,其他还有,如鱼肚中的“气泡”,动物身上贮存尿的囊袋等。现在,
封闭的充气结构在建筑上已广为应用。
充气的封闭薄膜有一个很好的受力性能,那就是各处的表面张力都相
同,由于用材少、重量轻,因而是一种很好的建筑结构。
最早设想把充气结构用来建造房屋的是英国工程师兰切斯特,他在 1918
年取得了关于此事的一项专利,并设计了直径为 650 米的充气结构,但遗憾
的是他过早地离开了人世,没有使理想成为现实。
1970 年日本大阪世界博览会上,博览会的游乐场采用在一根立柱上的充
气结构,在立柱顶端有向四周布置的缆索挂着四周布置的一个个充气结构,
充气结构的另一端支承在离顶端不远的立柱环上,当缆索收紧时,蘑茹状的
充气结构就收拢,撑开时就像一个大圆盘,其最大直径可达 35 米,博览会上
这种红黄相间、向不同角度撑开的一个个“蘑菇”,为游乐场增添了节日的
欢乐。
充气结构还可以用来作水坝。由英伯逊设计的水坝在 1957 年建成,水坝
高 1.5 米,长 40 米,充气薄膜用螺栓固定在水下的混凝土基础上,可以充气、
放气以调整水坝的高度。目前,充气水坝已经发展到高可 4 米,长可达 600
米。假如给充气水坝定期地涂以海普隆(高级涂料),寿命可达 20 年以上。
充气水坝造价便宜,比一般水坝可节省 75%的造价,而且施工简单。
充气的帐篷千姿百态,由英国 M.L.航空公司设计制造的一系列充气夹心
板可以构成大小不同、形状各异的任何多边形的帐篷。
英国的军事工程试验处,1965 年设计制造了军用充气桥,桥跨度 5.5 米,
桥本身很轻,只有 350 千克重,打仗时,遇到小河可随时充气让卡车通行,
用完则放气缩小成一小团让卡车运走。
充气结构打破了传统的建筑结构形式,在有压气体压力的调整下,只要
塑造出封闭的外形,任何形状都可以实现。它不存在梁、柱等构件,当充气

结构受力时,结构内受压气体把力传给整个结构,充气表面薄膜各处受力相
同。
1970 年日本大阪世界博览馆中,日本的富士馆因其体量宏大、造型新颖
而大出风头。它由 16 根直径为 4 米、长度为 78 米的充气管柱组成,把它们
两头分别安置接地,于是中间拱起形成一个个拱门,由于圆形平面,两头接
地的一个个拱门随着跨度的不同(最大的跨度为圆形平面的直径)拱起的高
度也不同,造成马鞍形的外形,充气管�
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