生活中的结构力学

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    结构力学这门课是很能启发我们去思考的。课上讲的很多问题都十分有趣。比如加约束、去约束的问题，实则充满了哲学意味。欲情故纵，以退为进，这是很耐人寻味的思维方法。还有平衡问题，生活中无处不在，门把手装在远端是利用力矩的概念而发展出的以四两拨千斤的奇妙方法，我们大家经常骑的自行车的行进也是利用了力矩。平衡在我们生活中处处发挥着重要的作用。以前我不太注意这些有趣的现象，跟这门课打交道这么一年之后，我也尝试利用力学的观点来剖析这个千奇百怪的世界，突然发现好多平凡普通的事物中都蕴含了深刻的力学原理，这样的发现让我对原本枯燥的结构力学有了兴趣，觉得多掌握一些了解世界的方法，多探究一些自然界的奥秘，确实是一件充满乐趣的事情。

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    观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎、叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，可以发现他们的强度和刚度不仅和材料有关，而且和他们的造型有密切的关系，很多工程结构受到天然结构的启发而创新出来。结构设计不仅要考虑结构的强度与刚度，还要做到用料省、重量轻。减轻重量对某些工程尤为重要，如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度快、能耗低。

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    生活处处皆学问。是否真正掌握了一门技术也好，知识也罢，唯一检测的标准就是我们是不是会用他。你会用学到的东西来解决问题，解释现象。

我搜集了世界上大楼坍塌的关于其结构的典型案例，整理如下:

花旗大楼（Citicorp Center）:

位于纽约的花旗大楼（Citicorp Center），无论从建筑的美感、结构设计的专业角度、以及Engineering Ethics方面都值得一说。

先看看外形，远远看去花旗大楼最显眼的就是倾斜的顶部，45°角的大斜面也算是纽约街头比较有辨识度的了。

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但是让我们往下看:

花旗大楼底部，图片来自网络

    底下的柱子，不在传统意义上的四角，而是在中点。原因是要从上图左下角的老房子说起。花旗大楼的选址，与旁边的教堂有一点的冲突，教堂不能动，但允许你在上面的空间盖楼。负责花旗大楼的建筑设计师是Hugh Stubbins，但更重要的角色是结构设计师William LeMessurier——一个天才结构师。

地面一角不让用，于是他把柱子设计在正方形四边的中间。然后设计出一套v字形的支撑体系。但这样的话就这栋楼就太轻了，扛不住风吹。因此，他又添加了一个400吨重的调谐质量阻尼器，这样就解决了高层建筑中普遍的抗风问题，以及减轻抖动。

花旗大楼结构设计图，图片来自网络

    于是这个天才结构师这样一套设计，有新意的解决了小教堂所带来的一系列难题。总之一切相安无事一直到了1978年。

    这一年，普林斯顿的一名本科生写毕业论文，题目是“Implications of a Major Office Complex: Scientific, Social and Symbolic Implications”，准备用花旗银行这个楼做案例，向LeMessurier的团队要来了一些图纸和数据。测算后，发现这楼在45°的风向下，其无法承受风速为每小时112公里的大风侵袭。

    也就是说一阵台风这楼可能就塌了。学生百思不得其解之后，联系了LeMessurier团队的一个初级工程师，这名工程师否认了危险的存在。当然，这名初级工程师还是履行了自己的责任，将这件事告知了LeMessurier本人，但由于LeMessurier觉得设计之初已经考虑过了各个方向的风力负担，并没有发现什么异常，也没有引起足够的重视。

    直到LeMessurier参与一个位于匹兹堡的项目时，施工方提出用螺栓代替焊接时，LeMessurier突然联想到路人甲学生的质疑。他想到这里心里咯噔一下，就急急忙忙赶回纽约进行了演算。

    结果发现，当承受对角线方向的强风时，几个V字支撑钢梁所承受的力相当于设计值的两倍。这对于钢梁本身没什么，如果是焊接节点也没什么，但螺栓就受不了了。LeMessurier这下慌了，因为当时纽约飓风Ella即将登陆，人民群众的生命财产将会发生危险。

    经过慎重的决定，LeMessurier及其团队，联合花旗银行，NYPD，红十字会等组织，完善了一个救援方案。但这一切是秘密进行的，公众、尤其是花旗银行里面办公的所有人员都不知情。与此同时，修缮团队也进驻大楼，以常规改建的名义，开始了修补工作。好在LeMessurier团队及时做好了结构修补，并且Ella也绕道而行，并未真正到达纽约，因而安全度过了当年的大风天。

    所有这些，一直隐埋在秘密之中，直到一个叫 Joe Morgenstern的记者在一次聚会中无意听到，并且采访了LeMessurier本人。1995年，the New Yorker杂志刊登此事，让围绕在花旗银行的秘闻为外界知晓，并且BBC还特意做了一期纪录片来报道此事。

纽约花旗大楼，图片来自网络

小贤思考:整个事件中诸多发展都是挺耐人玩味的：LeMessurier天才的设计方案避免了重新选址或者拆除教堂，让广大结构工程师开了眼，拍手叫好；然而建成之后，很快就被一个具有钻研精神的路人甲学生发现其无法承受大风侵袭；随后又被LeMessurier所重视，向所有市民隐瞒了这个消息，悄悄连续赶工多日完善了救援方案。

总之，花旗银行这个案例还是提醒我们一定要真正重视建筑结构，建筑师必须有一丝不苟的态度啊。所以对结构知识的掌握，也是成为一个好建筑师的必要条件。

——城工1班 秦兆贤 20154660131