《西方建筑结构七讲》
[英]雅克·海曼 著 周克荣 译
同济大学出版社
千百年来，在人类波澜壮阔、可歌可泣的建造行为中，建筑成果的艺术属性和工程属性始终并存、不可分离。人类在通过建造物表达其精神追求的同时，也通过建造物体现其发现并驾驭自然束缚力的努力。结构技术的不断创新突破贯穿着2000年人类建造的历史。而自现代结构工程学科诞生以来，结构工程技术的进步更是一日千里。人类近两个世纪以来的建筑辉煌基本都集中表现在结构工程和建造技术的进步上。
在结构工程技术不断进步的历史中，始终浸透着人类通过技术的突破来表达的人类关于美、关于理性逻辑等精神层面的追求。那么今天，随着人类对于自然束缚力的驾驭能力不断地提高，简单的高度和跨度的突破已不再是结构工程师难以跨越的天堑，人类无限的想象力和创造力加上计算技术的飞快发展推动着新型结构形式的不断涌现，自然束缚力的极限被不断突破，透过结构工程技术的进步而体现出来的当代精神追求是什么？结构工程技术明天将会向着什么方向“进步”?
伍 江
摘自《西方建筑结构七讲》序
《西方建筑结构七讲》是一本关于结构工程理论和历史的著作。全书分为7个章节，对结构理论的各个方面进行了叙述，按照时间顺序依次展开。在一定程度上，这7个篇章也构成了学科简史。
对于一般读者来说，这本书生动易懂、趣意盎然，不为专业所限；对于有结构工程专业背景的读者而言，书中连贯的历史演绎和深刻的哲学逻辑则会使你对结构工程学科产生更为纵深和更为宽广的思考。
内文试读
大不列颠的第一位现代土木工程师是约翰·斯米顿（1724－1792），于1994年悬挂在威斯敏斯特教堂北侧走廊的一块牌匾用文字记述了他一生的成就。上方的橱窗还悬挂有本杰明·贝克爵士（福斯桥）、帕森斯（汽轮机）、开尔文勋爵和亨利·罗伊斯爵士的纪念牌匾，附近是托马斯·特尔福德、詹姆斯·瓦特、伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔以及乔治和罗伯特·斯蒂芬森的纪念碑。这是教堂的“工程师角”。近在咫尺的是建筑师（乔治·吉尔伯特·斯科特爵士，夏尔·巴里爵士，约翰·皮尔逊）、科学家和数学家的墓碑，其中，牛顿墓碑庄严肃穆恰如其分。
建筑师、工程师、科学家和数学家确实应该集合在一起。通常这四种专业会同时包含在一项工作之中，很难区分工程师和科学家的工作——工程师也采用牛顿的数学和法拉第的物理定律，他们和科学家用共同的专业语言描述他们处理问题的工具。
然而，两者利用工具的方法不同。科学家利用这些工具来加深对自身学科的理解。而工程师则将其应用于工程实践中，不论是设计涡轮叶片、电子电路和射电望远镜，还是在英吉利海峡下开挖隧道，亦或建造大型建筑——哥特式大教堂或钢框架摩天楼。
为自己的工程项目建立理论基础成为推动斯米顿取得科学成就的动力，正是在这个意义上他可以被称为现代工程师。斯米顿的成就在他年仅28岁时就获得了认可——其当选为英国皇家学会会员。在17世纪，英国皇家学会和法国科学院的“科学”研究成果无疑应该可以立即在实际中得到应用；这也的确是弗朗西斯·培根“新哲学”的完整意图。不过，“科学”与“工程”之间的裂痕迅速扩大，早在1783年，剑桥大学就设立了一个自然实验哲学教职以保证工学作为一个独立的学科发展。为了向年轻军官传授水力学、土方工程和测绘知识，1749年初，法国在梅济耶尔建立了一所专业性大学（并在19世纪来临前建立了大学和理工学院）。
然而，18世纪的大学所传授的理论对于那些“为了人类的需求和便利而掌管自然界中巨大动力来源的技术”（土木工程师学会第一任主席托马斯·特尔福德1828 年语）的工程师来说是不够的。作为一个受过良好学校教育的大项目工程师，不得不被迫亲自做实验以建立自己的科学理论。
斯米顿尤其喜好阅读，他的藏书来自英吉利海峡两岸的主要著作（当然包括牛顿的《自然哲学的数学原理》（Principia）、贝利多的《水利建筑学》（Architecture hydraulique，1735年）、德萨居利耶的《实验哲学》（Experimental Philosophy，1744年）和维特鲁威的著作，等等）。
18世纪结构工程的普遍四大问题是梁的强度、柱的强度、拱的推力和土压力（即挡土墙后的土的性能，该问题目前归属于土力学领域）。从梅济耶尔毕业后不久，当夏尔·库仑作为一名青年军官被派往马提尼克岛，修建防御工事时，他发现自己缺乏关于这四大问题的理论知识。
为了设计防御工事，他需要找寻答案，所以9年后，当夏尔·库仑从海外回到巴黎时，他用一篇著名的论文（1773年）向法国科学院证明了自己在理论方面的建树。该论文的第四节内容对土力学学科作出了基础性的贡献，库仑也因此被工程师们视为该学科的奠基人。
▲夏尔·库仑第一篇科研论文
后期因为其在电荷方面的贡献，夏尔·库仑被物理学家们所铭记，但这些物理学家并不知道他也是位土木工程师。像库仑一样，斯米顿感兴趣的课题范围很广，他向英国皇家学会提交了自己的科学著作。1750－1788年间，斯米顿在《哲学汇刊》（Philosophical Transactions）上发表了18篇论文（库仑在1773－1806年间向法国科学院宣读了32篇论文）。在论文中，斯米顿关注于三个方向的课题研究：仪器、天文学和力学。他对航海、天文观测和仪器制造都表现出浓厚的兴趣，在其职业生涯的早期和晚期，关于这些学科的论文既严谨又复杂。然而，在已发表的论文中，有三篇论文是属于不同范畴的，它们涉及理论力学方面的基本问题。
在1759年，因为《关于用自然水力和风力转动碾磨机的实验研究》（An Experimental Enquiry Concerning the Natural Powers of Water and Wind to Turn Mills）这篇伟大论文，斯米顿被授予科普利奖章，这是英国皇家学会对原创性研究所颁发的最高奖赏，而当时斯米顿年仅35岁。库仑的研究工作集中在固体力学方面；斯米顿的研究则侧重于流体力学，这又是一门可用于工程设计但尚未建立体系的基础科学。斯米顿熟知已有的法国理论，他用自己的实验清楚地证明这些理论错在何处。事实上，在这个时期，斯米顿的理论研究并没有解决一些基本问题，而10年后，由于法国人博尔达在数学方面获得的成就，叶轮机最终出现。在1759年，动量、能和功的概念还很模糊，应该如何用数学方式表达它们？斯米顿在分析研究方面取得长足进展，因此能够对碾磨机进行正确的设计。
以上所有的科学工作反映了当一个工程师为了解决前所未遇的问题，不得不面临因扩展基础科学知识储备所引发的困难。斯米顿的18篇论文本身是有价值的，表明他对自己的专业所做的贡献——建立了可以被理解、传授并被后继者采用领会的思想。实际上，这些论文只是设计和实施大量土木工程业务的副产品。
也许斯米顿最著名的作品是1756年9月他设计的第一座灯塔——埃迪斯通灯塔。他亲笔撰写《埃迪斯通灯塔设计记叙和施工说明》（Narrative of the Building and a Description of the Construction of the Eddystone Lighthouse），并于1791年成书出版。
该书阐述了一名土木工程师是如何取得一些新成就的。受托人必须同意用石头建造房子；斯米顿亲自去普利茅斯测量该地的岩石（为此他发明了自己的测量设备）；对每层石块采用独特的交错砌筑方式来提升结构整体稳定性；经过试验，最终确定石灰与白榴火山灰的详细配合比，形成一种能在海水中结硬的砂浆；考虑风和海浪的影响，对灯塔采用连续弯曲的外形。
最后，斯米顿确保该项工作得到有效的执行——工程师的任务并不只限于提供设计理念，也不只是运用计算和制图对这些理念进行包装后即告结束，工程师必须保证项目取得预期效果。
▲埃迪斯通灯塔（斯米顿绘图的雕板）
在埃迪斯通灯塔完成后的20多年里，即从1760至1783年，斯米顿承接了满满的工程项目。他设计了50多个水车和风车，还有10来个用于供水和泵水的蒸汽机。这些当代称之为机械工程的项目引发了动量和能方面的问题，他尝试去找到这些问题的解答。在土木工程领域里，斯米顿设计了4座大的公共桥梁，其中3座精美的砌体拱桥位于科德斯特里姆、珀斯、班夫，还有6座用石材或砖建造的小桥和两条渡槽。斯米顿对福斯和克莱德运河的运行发挥了积极作用；为持续改善一些河流的航行作出了贡献。同时，他的工作还涉及大型港口、码头和沼泽排水系统。
在1760年之前，土木工程专业几乎不存在，10年后，如现代咨询工程师一类的职业已基本形成，斯米顿正是其中的杰出代表。同现在一样，咨询工程师们去往需要且能够施展个人才能的地方。他们根据所掌握的知识进行各项设计，当知识储备不足时，积极开展理论和实验研究，为自身学科的发展作出贡献。如果必要的话，工程师还会配备助手，从而保证工作的正常进行。
* 以上图文节选自《西方建筑结构七讲》一书“第1章 土木工程师”。
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资料：同济大学出版社
编辑：周玉
