为什么大跨度拱形建筑也很牢固

 在争取更大空间的建筑发展史上，拱也是一种应用得普遍结构形式。可是拱是什么？简单地说，半弯的瓦筒就是一个拱，一劈为二爿的竹筒， 就是两片简单的拱。拱形屋顶的年龄，比桁架屋顶更加悠久。远在几十万年前，北京猿人就开始利用拱了，天然山洞的半圆形顶部，就是一个天然的拱，并且拱形的洞比平顶的洞更安全，更不容易塌下来。直到现在，我国西北地区的窑洞、防空洞、铁路隧道，就是沿用拱形的结构。当然，新石器时代，以前人类对拱结构的认识，还仅仅停留在经验阶段，根本未掌握拱顶比平顶牢固的道理。直到距今 1300 多年前，我们的祖先才在掌握拱结构奥秘的基础上，用一块块石头砌筑成跨越河面的拱，建造了一座世界闻名的赵州桥。它的跨度 37 米多，全长50.82 米。由于它出众的大跨度，一直受到后人的称赞。人们传说，它不是凡人的创造，只有神化了的工匠祖师鲁班才能造出这样出色的桥来。所以，桥上至今还留下一道深深的车辙，据说是当年神仙考验桥的牢固驾车经过时留下来的。当然，这是神话传说，其实赵州桥是隋朝工匠李春等人设计建造的。拱桥为什么这样坚固？为什么沉重的石块，在毫无支撑的情况下不会塌落倒掉呢？原因是拱在受力时，情况比梁优越。施加在拱上的重力，会沿着拱向两边传递到拱脚，最后对拱脚产生压力和水平向外的推力。所以，只要在拱脚设法用石桩之类顶住拱的撑开，拱就不容易被压塌。而且，对于拱的材料——石块来说，施加在拱上的重力只对石块产生压力，而它的抗压本领是十分出色的。因此，用较小的石块拼合成拱，就能够跨越较大的空间，不大容易倒塌。除了赵州桥之外，宋代画家张择端所绘的名画《清明上河图》里的虹桥，也是拱结构。据专家考证，这座画中桥，其实就是东京（今天的河南省开封市）东水门外七里处的一座木拱桥。至于北京天安门和故宫博物馆高大城墙下的宽阔门洞，明十三陵的地下宫（定陵）、南京灵谷寺大殿、苏州开元寺等建筑，无不是拱结构或它的变种。即使是现代， 拱结构仍然是大跨度建筑经常采用的结构形式，只是材料比以前更好、设计得更合理罢了。例如上海展览馆的大厅，布满在祖国各地江河川流上的拱桥和双曲拱桥等，都是拱的“子子孙孙”。传统的拱，形式比较单调，能不能对拱作些改变呢？用竹篾编成的半圆形箕箩，是先用几根较粗的竹片条弯成拱，再将各条拱的中点缚在一起，成为爪子模样的拱肋，最后沿半圆盘绕上细长的竹蔑，就成为一个半圆壳状的箕箩了。同样，用石块先筑成一条条拱肋，成为爪子模样的半圆，再在拱肋上蒙上较薄和较轻的材料，这样做成的壳状拱顶，分量就可以大大减少了。这种改变成半圆形的拱，称为壳结构。早期的壳结构，像石拱那样十分沉重。直到近代钢筋混凝土问世以后，这种从拱结构演变出来的壳体，才真正有了充分发展的可能。它就是人们今天经常见到的壳体结构屋顶。壳体结构十分牢固，它充分发挥了拱的受力特点。在自然界，壳体结构的优点，早就被生物运用了。像果核外壳就十分坚固，要想打开它，非得用硬物去敲不可。 现代的建筑壳体，因为采用了钢筋混凝土甚至轻质合金材料做成， 所以分量大大减轻，而且可以做得很薄很薄，只有几厘米厚。如果按比例来作比较的话，它甚至比鸡蛋壳还要薄。所以现代的壳体建筑，多数又称为薄壳建筑。世界上最著名的壳体结构，要数澳大利亚悉尼市的悉尼歌剧院。它的屋顶采用壳体做成一堆贝壳状，像帆船升扬起来的风帆。在巨大的“贝壳”下，有宽敞的音乐厅、歌剧场、话剧场、排练场、陈列厅、餐厅、休息厅等。整个建筑，外形美观独特，成为悉尼市一个著名的风景点， 吸引着成千上万的国外旅游参观者。其次是巴西，巴西利亚市的巴西议会大厦。整幢大厦建筑在一个巨大的平台上，中间是高高的楼宇，两边是一俯一仰两个碗形壳体，由于十分奇特，所以给人的印象特别深刻。如果你看过一次，以后就不太容易把它忘记，再见到那一仰一合的大“碗”，总会马上联想到巴西！当今，世界上最薄的壳体，只有 1.6 厘米厚，它是 1952 年由墨西哥大学设计的宇宙射线实验室。最大的壳体，是巴黎国家工业与技术中心陈列大厅，两层壳的总厚度仅有 12 厘米，三角形底边长 218 米，高 48 米。最奇妙的是美国威努士基城的一个壳体，竟然像有生命的贝壳、牡壳那样可以自由张合。威努士基城的面积只有 880 英亩，1981 年他们建成了一个能完全遮盖住整个城市上空的伞状壳顶。壳顶中最高点离地面67 米高，伞壳材料不是钢筋混凝土，而是十分轻盈的泡沫有机玻璃。伞架是立于地面的金属管架，用 60 根尼龙绳串好伞面，绳索的下端与电动机相连。电动机启动时，整个伞顶就像我们平时使用的伞那样可以张开或收拢。这个巨大的活动伞，建成之后简直轰动了全世界，被称为现代建筑技术的奇迹。这座小城，也因此成了热闹非凡的旅游胜地，每天前往参观的人，络绎不绝。