第3章 19世紀建筑材料、結構科學和施工技術的進步

巧婦難為無米之炊，沒有材料蓋不成房屋。有了材料，它們的品種性能又至關重要。我國著名土木工程專家李國豪說，在歷史上，“每當出現新的優良建筑材料時，土木工程就有飛躍式的發展”。土木工程的狀況同房屋建筑關系十分緊密，房屋的骨骼和主體就是一種土木工程。土木工程有了發展，房屋建筑自然也有變化。此外，建筑材料對于建筑的質量、形象，對人的生理和心理感覺，從而對建筑藝術都有直接的關系。李國豪指出，土木工程的三次飛躍發展是同三種材料聯系的：磚瓦的出現；鋼材的大量應用；混凝土的興起。（《中國大百科全書·土木工程》卷“土木工程”條）這三種材料之中，鋼材和混凝土在建筑中的廣泛應用都發生在19世紀。

3.1 房屋建筑中鋼鐵結構的采用

在房屋建筑中，比較廣泛地采用鐵，后來又改用鋼來做房屋結構和其他部件、配件，這在建筑發展上具有重大的革命性的意義。

人類使用鐵的歷史十分久遠。但在18世紀末葉以前，在房屋建筑中，鐵主要是用以制作欄桿、鉸鏈、釘鉤、把手等小型部件以及裝飾之用。在有些建筑中，也出現過起結構作用的鐵制部件，如古代磚石拱券上的鐵制拉桿和圓頂上所用的鐵箍等，但這些鐵件也只是磚石結構或木結構的配件。除去個別的例子，18世紀末葉以前，在世界各地區鐵都沒有成為主要的建筑結構材料。之所以如此，一方面是由于石、木、磚等傳統材料一般已能滿足當時的建筑需要，亦即還沒有產生對一種新結構材料的迫切需要；另一方面，更重要的，是受到鐵的產量的限制，并且存在著將鐵制成大型構件的技術困難。

18世紀末葉，英國開始工業革命。使用機器的大工廠和鐵路建設，要求建造多層、大跨度、耐火和耐振動的建筑物，并要求盡快建成使用。社會生活的其他領域，也不斷提出各種各樣為磚石和木結構房屋所不易或不能滿足的建筑要求。如博覽會上的臨時性建筑。與此同時，工業革命促進了鐵產量的大幅度增加，這就為在房屋建筑中大量使用鐵材準備了條件。

過去，歐洲都是用木炭做冶煉鐵礦石的燃料，鐵的生產受到木材供應的限制。17世紀的英國，由于森林減少，木炭漲價，一度造成鐵產量的下降。18世紀初，提出了采用焦煤煉鐵的方法，后來又在煉鐵爐上加上鼓風設備（1860），為大規模生產鐵奠定了基礎。18世紀末葉英國產業革命后，工業和鐵路建設大量用鐵，進一步促進了鐵的生產。恩格斯在描寫18世紀末和19世紀初英國的情況時曾寫道：“發展得最快的是鐵的生產……煉鐵爐建造得比過去大50倍，礦石的熔解由于使用熱風而簡化了，鐵的生產成本大大降低，以致過去用木頭或石頭制造的大批東西現在都可以用鐵制造了。”

1740年英國生鐵產量1.7萬噸，1788年增至6.8萬噸。進入19世紀，產量激增，1800年產鐵19.3萬噸，1840年增至140萬噸，1870年又增至606萬噸。19世紀后半葉，其他國家鐵產量也增多了。1870年全世界生鐵產量為1180萬噸，1900年增至4070萬噸，1913年又增至7850萬噸。鐵的應用范圍隨產量增加而日益擴大。19世紀被稱為“鐵的世紀”。

在橋梁建設中采用鐵結構稍早于房屋建筑。鐵橋的建造技術為房屋建筑中采用鐵構件作了技術上的準備。

在房屋中，最早采用的鐵結構是生鐵柱子。紡織工廠大量使用機器以后，舊式房屋中體積龐大的磚石承重墻和柱子妨礙機器的布置（有時，機器只得放到房屋的最上一層，因為那里的室內空間稍為寬闊一些）。為了減少支柱占用的面積，18世紀80年代英國的紡織工廠首先采用生鐵內柱，接著在需要大空間的民用建筑中也采用鐵柱（如1794年倫敦某書店內采用的鐵柱是較早的例子之一）。鐵也開始用來建造屋架，如1786年巴黎法蘭西劇院的熟鐵屋架。以后又出現了外部采用磚石承重墻而內部梁柱用鐵制造的磚石-鐵混合結構的多層房屋，如1801年英國曼徹斯特市沙爾福（Salford）地方用這種方式建造了一座七層的棉紡織工廠。19世紀初發明鉚釘連結，鐵結構大為簡化，也更加可靠，用輾壓方法制造鐵的型材以后鐵結構的運用遂愈益廣泛。那些要求很快建造起來的大跨單層的建筑物，如市場、火車站站棚、花房、展覽館等，都紛紛采用鐵結構。稍后，歐洲一些重要的公共建筑物，也開始采用鐵結構來建造大廳的屋蓋。例如，倫敦煤炭交易所（London Coal Exchange，1846—1849）大廳的圓頂直徑18.3米，頂高22.6米；不列顛博物館的閱覽大廳（British Museum Reading Room，1857）的圓頂直徑42.7米；以及俄國彼得堡的冬宮大廳屋頂（1837）和依薩基也夫斯基教堂的圓頂（19世紀40年代）、法國巴黎的圣杰列維圖書館（Bibliothégue Sainte-Genevieve，1843—1850）和國家圖書館（Bibliothégue Nationale，1856—1868）的屋頂等。

19世紀中葉美國一些大商業城市中最早出現全鐵框架的多層商業建筑，這類商業房屋的外墻上除了細狹的鐵梁柱外，全部都開成玻璃窗，以改善室內照明和通風，滿足大量人員辦公的需要。19世紀美國內河航運大港和商業城市圣路易斯是這類建筑出現較早的地點之一。差不多同時，在歐洲也出現了鐵框架的建筑，1867年巴黎博覽會上展出過用空心磚做填充墻的鐵框架住宅。1871—1872年在法國建成一座利用水力做動力的巧克力制造廠，為了減輕架設在水面上的五層廠房的建筑自重，采用了完全的鐵框架結構。這些都是鐵框架房屋的較早的實例。

在19世紀，出于炫耀和好奇的心理，鐵材也出現在一些皇宮和府邸建筑之中，如英國布列通皇家別墅（1818—1821）的一個客廳中采用過鐵柱，巴黎皇宮花園中用鐵及玻璃建造了一座游廊（1829—1831）等。鐵構件在這里是作為一種新奇時髦的東西而出現的。

在19世紀中期，最引人注意的鐵結構建筑是1851年的英國博覽會展覽館，它采用鐵與玻璃建造，占地面積達7.18萬平方米，因為內部光線明亮，被稱作“水晶宮”（詳見3.2節）。1855年，巴黎博覽會上采用鐵結構建成的單跨達85米的展覽廳是當時世界上跨度最大的建筑物。這些建筑物的鐵構件和部件一般是在工廠中預先制好，運到現場加以裝配的。預制裝配縮短了建筑工期。19世紀中期，為適應英國殖民主義擴張的需要，英國鐵工廠中還曾生產過全部預制裝配的鐵建筑物并遠銷海外。這類鐵的預制房屋包括倉庫、商店、住房、車站，甚至還有小型教堂和戲院。（最早的鐵的預制房屋大約開始于18世紀90年代英國運河工人用的鐵板小屋。1841年，曾有人將預制裝配式的鐵燈塔運到牙買加安裝。1843年，英國鐵工廠為非洲生產過一座二層的鐵材住房。19世紀英國教會曾拒絕批準用鐵制房屋做正式的教堂。）

人們關于鐵結構的知識和運用技術是在實踐中逐步掌握和豐富起來的。在早期，人們在工程結構中把鐵當作石材一樣的東西來使用，最早的鐵橋就是采用拱橋的形式，例如英國1793—1796年建造的桑德蘭鐵橋就是這樣的，后來才發現了比較符合鐵的性能的結構形式。到19世紀末葉，鐵屋架已有多種結構形式，其中包括三鉸拱，結構力學隨著工程實踐逐漸發展起來。在早期，人們為了防火而用鐵構件去代替木構件，但是在火災中，鐵構件很快變軟失去承載能力，致使房屋倒塌；溫度更高時，熾熱的鐵水四處流散，火災蔓延得更快。1871年芝加哥中心區的大火災便是一個慘痛的教訓。那次大火以前，當地居民把鐵結構看作防火建筑，為了安全，在容易發生火災的建筑物上用鐵梯做太平梯。但在火災中，鐵水漫流，火勢更猛，大火把市中心區幾乎燒光，10萬人無家可歸。人們這才知道，裸露的鐵結構不但不能防火，而且有更大的危險，必須用耐火材料把鐵材包裹起來。

19世紀60年代以后，鐵結構又逐漸被鋼結構所替代。

鋼和鐵都是鐵碳合金，但生鐵含碳量較多，雖有很高的抗壓能力，抗拉能力卻很差，并且不耐沖擊。熟鐵含碳很少，用做建筑構件又常常失之太軟。對生鐵進行熔煉，使其中的含碳量降至1.7%以下，控制在適當的分量上，即得到不同性能的各種鋼材。鋼具有較高的強度，又有相當的韌性和塑性，含碳量低于0.25%的低碳鋼適用于建筑結構。很久以前，人們就掌握了煉鋼技術，但因產量很低，所以鋼的價格昂貴。直到19世紀50年代，才出現了大規模煉鋼的方法，這就是柏塞麥煉鋼法（1855）。采用柏塞麥法使鋼的價格下降了75%，其后又相繼出現了西門子·馬丁法（1858—1868）、湯姆斯·吉爾克利斯特法（1877—1878）。鋼的產量飛速增長，1870年世界鋼產量為50萬噸，1900年增至2800萬噸，1913年又增至6540萬噸。如同鐵之大規模用于工程結構的歷史一樣，隨著鋼產量的增長，在機器制造等部門已普遍使用鋼材之后，鋼材才用于用量巨大的建筑結構中。同鐵的使用和推廣過程一樣，鋼材也是首先用于橋梁等工程結構物之中，然后才用于有特殊的或迫切需要的建筑類型中，如工廠、大跨度房屋、高層房屋等，再后才較多地用于一般民用建筑物中。在資本主義各國，建筑由鐵結構向鋼結構過渡，是19世紀末和20世紀初期的事，但在19世紀最后十數年中，鋼結構已經開始顯示了它在建筑中的巨大作用。1889年巴黎博覽會上以鋼結構建成一座單跨115米、長420米的巨大的展覽廳。接著在俄國建成了一座鋼的雙曲拱殼屋頂的廠房（1893）和一座懸索結構的展覽館（1896）。與此同時，美國的城市中出現了高達二十多層的樓房（New York Park Row Building，1898，26層）。這些高層房屋的建造，是20世紀出現的所謂“摩天樓”的先聲。

3.2 1851年的倫敦水晶宮

1851年春天，倫敦海德公園里面出現了一座規模龐大的鐵與玻璃的建筑物，它通體晶瑩透亮。人們從來沒有見過這樣的建筑，如此光潔輕巧，它被人稱做“水晶宮”（Crystal Palace）。這個美麗的名字恰當地表達出這座新奇建筑的特質和人們進入其中的感受。

“水晶宮”是一座展覽館，專為1851年5月1日開幕的世界工業產品大博覽會（The Great Exhibition of Works of Industry of All Nations）而設計建造。

近代資本主義經濟發展以后，各國企業界熱心舉辦各種展覽會、博覽會以促進產銷，這種博覽會、展覽會展示經濟的成就，技術和藝術的發展，生產和消費的新潮，漸漸成為社會生活中的一種盛事，它們具有歷史上宗教活動那樣的吸引力。各國政府很支持舉辦這樣的博覽會，把它作為振興實業、顯示財富和力量的一種方式。在近代史上，1798年巴黎第一個舉辦工業展覽會。此后各國紛紛仿行，但基本上還限于一國國內的產品。1851年在海德公園舉辦的這次博覽會是第一個大規模的國際性博覽會。博覽會由英國皇家工藝協會主辦，協會主席是當時維多利亞女王的丈夫阿爾伯特親王。

博覽會預定于1851年5月1日開幕。1850年3月，博覽會的籌建委員會宣布舉行全歐洲設計競賽，征求建筑方案。4月份，委員會收到245個應征方案，但是沒有一個合用的。從設計競賽到建成開幕只有一年多一點的時間，工期極短；其次，展館在博覽會閉幕后將要拆除，因此要省工省料，能快速建造、快速拆除，且建筑物應能耐火。當時歐洲各國建筑師送來的傳統的建筑設計方案都不能滿足這些要求。委員會于是自己進行設計，拿出的方案仍是一個相當復雜的磚砌建筑，正中有一個大的鐵結構圓穹頂。這個方案依然不符合要求，但決定按它建造。對此，議院和公眾輿論嘩然。這個時候，一位名叫派克斯頓（Joseph Paxton，1803—1865）的園藝匠師出場了。他表示能夠提出一個符合各項規定要求的建筑方案?；I建委員會答復可以讓他試一試。派克斯頓和他的合作者們工作了8天，果然拿出一個符合各項要求的建筑方案，并且附有造價預算。1850年7月26日這個設計方案被正式接納，負責施工的是?？怂?亨德森工程公司（Fox&Henderson）。

派克斯頓提出了一個完全新穎的革命性的建筑方案。他設計的展館總長約564米（1851英尺[1]），總寬約124米（408英尺），共三層，外形逐層收退，立面正中有凸出的半圓拱頂，頂下的中央大廳由地面到最高處約33米（108英尺），大廳寬約22米（72英尺）。左右兩翼大廳高約20米（66英尺），大廳兩旁樓層形成跑馬廊。展館占地7.18萬平方米（77.28萬平方英尺），建筑總體積為93.46萬立方米（3300萬立方英尺）。

這樣龐大的建筑物只用17個星期就建起來了。這是聞所未聞的高速度。原因是它既不用石，也不用磚，是一個完全的鐵框架結構，所有的墻面和屋面則全是玻璃。整個建筑物由3300根鑄鐵柱和2224根鐵橫梁構成框架。鐵柱子是中空鐵管，所有鐵柱的外包尺寸完全相同，不同部位的柱子僅改變管壁的厚度，以適應不同的承載力。橫梁系平行桁架梁，長度分為7.3米（24英尺）、14.6米（48英尺）和21.9米（72英尺）幾種。它們高度一樣，但構件斷面不同，有的采用鑄鐵，有的采用鍛鐵，以滿足不同的荷載需要。在柱頭之上有鐵制連結體，將柱頭、橫梁及上層柱子的底部連結成一體，構造十分巧妙，既堅固又便于快速組裝。桁架式鐵橫梁在當時是先進的構件，不過，當時只能計算出每個桿件中的受力，現今所用的桁架理論在1850年尚未形成。為了鐵框架的穩定性和抵抗風荷載，外墻鐵柱和鐵梁之間安裝了斜交的拉桿。它們安裝在外墻的內側，在外面仍然隱約可見。中央半圓拱頂上也裝有這種斜拉桿。

墻面除鐵構件外都是玻璃和窗欞。玻璃只有一種規格，即124厘米×25厘米（49英寸×10英寸）。屋頂除正中的圓拱外都是平的，所有屋面都是玻璃。玻璃天頂組成折板形，便于排水，又增加強度。雨水順天井注入圓形鐵柱，送進地下排水井。屋面玻璃和墻面上的尺寸一樣，可以互換。為了安裝屋面玻璃，專門做了一種可以移動的小車，沿著天井活動，大大加快了安裝速度。80名玻璃安裝工人在1周內安裝了18.9萬塊玻璃。玻璃總量達8.36萬平方米，重400噸，相當于1840年英國玻璃總產量的1/3。展館所用的玻璃是當時所能生產的最大尺寸，由英國最大的一家伯明翰玻璃公司提供。正是玻璃的尺寸決定了整個建筑的7.3米（24英尺）的柱網尺寸。英國原來有限制玻璃生產的高額貨物稅，1845年取消此項稅種后玻璃產量大增。如果是在1845年前，水晶宮大概不可能用上那么多的玻璃，展廳內部也將光線暗淡，失去水晶宮的特色。

派克斯頓出身農民，受教育不多，但從1826年23歲時起任一位公爵的花園總管，對于用鐵和玻璃建造植物溫室很有經驗。多年前他已采用玻璃做成折板形溫室屋頂，為的是讓早上和黃昏時的陽光直射進溫室。派克斯頓得到為1851年博覽會提出建筑方案的允許后，同一位鐵路工程師以及助手們研究出上述方案。方案批準后，他與施工廠商進一步研究結構和構造細節，做出模型進行試驗安裝。建筑施工圖紙由F.& H.工程公司繪制。建筑的構件規格和尺寸都盡最大努力加以標準化。鐵件由鐵工廠制造，送到現場拼裝，大部分采用螺栓固結，施工中盡量采用機械和蒸汽動力。真正用于施工安裝的時間實際只占17個星期，留下了布置展覽的時間，大博覽會按時于1851年5月1日開幕。展出期間有600多萬人參觀，影響極大。博覽會結束后，派克斯頓申請在原地保存水晶宮，未獲批準。水晶宮于1852年5月開始拆除，年底運出海德公園。派克斯頓組織一個公司，買下構件材料，運到倫敦南郊西登翰（Sydenham）山頭重建，規模擴大，近乎原來的兩倍，高度也增加了，兩端又各添出一部分，增加了許多新構件。新水晶宮于1852年8月動工，1854年6月竣工，維多利亞女王曾為它揭幕。新水晶宮作為展覽、娛樂、招待中心，十分興盛。1868年清朝官員張德彝等出使西洋，他們在倫敦停留時曾去新水晶宮參觀。張德彝在其撰寫的《歐美環游記（再述奇）》中記載了他對水晶宮的印象（一次是白天，另一次是晚間）：

九月初八日壬午，晴。午正，同聯春卿乘火輪車游‘水晶宮’。是宮曾于同治五年春不戒祝融，半遭焚毀。緣所存各種奇花異鳥，皆由熱帶而來，天涼又須暖屋以貯之。在地板之下，橫有鐵筒，燒煤以通熱氣，日久板燥，因而火起。刻下修葺一新，更增無數奇巧珍玩，一片晶瑩，精彩炫目，高華名貴，璀璨可觀，四方之輪蹄不絕于門，洵大觀也。

十三日丁丑，晴。晚隨志、孫兩欽憲往水晶宮看煙火，經營宮官包雷賀斯、瑞司丹靈等引游各處。燈火燭天，以千萬計。奇貨堆積如云，游客往來如蟻，別開光明之界，恍游錦繡之城，洵大觀也。

新水晶宮于1866年發生火災，燒毀部分建筑，即張德彝所說“同治五年春不戒祝融，半遭焚毀”之事。又過了70年，即1936年再次發生火災，建筑全毀，再也沒有重建。

1851年的水晶宮在建筑史上具有重大意義。第一，它所負擔的功能是全新的。要求巨大的內部空間，最少的阻隔，以便安置許多龐大的工業產品，以及外域運來的奇花異木，它要同時容納眾多的參觀者在其中任意流動。這樣的功能，在工業革命前從來沒有提出過。第二，它要求快速建造。博覽會從籌備到開幕不過一年多時間，留給設計和施工的時間非常之短，因此必須采用新型材料，新型結構，利用工業革命帶來的新技術，才能滿足這些要求。水晶宮采用的鐵構件和玻璃都是由工廠大量生產，然后運到現場安裝的，因此，自然要采用標準化的構件。水晶宮第一次大規模地顯示了采用工業化的預制裝配化方法的優越性。第三，建筑造價大為節省。派克斯頓等人提出的建筑方案和建造方法是當時最經濟的一種，按當時的價格計算，水晶宮內部建筑體積的造價合每立方英尺一個便士。我們無從細算這個造價究竟有多么便宜，但從水晶宮墻厚（僅20.3厘米即8英寸）與倫敦圣保羅大教堂墻厚（4.27米即14英尺）的比較，即可看出物力與人力的節約是相當可觀的。第四，從水晶宮的設計和建造過程可以看出，只有熟悉和掌握有關新材料、新技術的人員才能解決新的建筑課題，建筑師如果墨守成規，不擴大自己的知識面，就難以發揮應有的作用。第五，水晶宮顯示了一種把實用性、技術以及經濟放在首位的設計思想，這種要求有力地突破了沿襲傳統建筑樣式的做法。盡管在水晶宮的建造過程中，這一切是不得已的，被逼出來的，然而也不是偶然的，相反，它預示著時代發展的趨向。第六，水晶宮的建筑形象向人們預示了一種新的建筑美學質量，其特點就是輕、光、透、薄，它們與傳統磚石建筑的厚、重、閉、實大相徑庭。水晶宮在當時得到不同的評價：一方面，許多建筑師和高雅人士認為它算不上是architecture，僅僅是一個construction，意即它不屬于建筑藝術或高尚建筑的范圍，而只是一個構筑物；另一方面，它又獲得了廣大公眾和不帶偏見的專業人士的喜愛。當時的報道說，參觀水晶宮的人群對它抱有像是對羅馬圣彼得大教堂一樣尊崇的情緒，有人描寫在水晶宮里的感覺如同“仲夏夜之夢”。清朝官員張德彝說，“一片晶瑩，精彩炫目，高華名貴，璀璨可觀?！毕嘈攀琴N切精當的描寫！

如果將1851年的倫敦水晶宮同100年后即1951年在紐約建成的利華大廈（Lever House）加以比較，則更使人感到那座已不存在的水晶宮真正是20世紀新建筑的第一朵報春花。

倫敦水晶宮引起公眾對玻璃和鐵結構建筑的喜愛。在它之后，歐洲和美國一些城市也建造了一些號稱水晶宮的建筑，如1853年紐約博覽會的水晶宮。很多商業建筑采用鐵和玻璃的屋頂。意大利米蘭的愛麥虞埃二世商場（Victor Emmanuel Ⅱ Gallery，Milan，1865—1867）的商店街道上覆蓋著玻璃拱頂，既擋風雨又有充足的光線，至今仍是居民喜愛的購物中心。1876年巴黎出現第一個有鐵和玻璃屋頂的百貨公司（Magasins du Bon Marché 1873—1876，設計人L-C Boileau，A. Moisant，G. Eiffel）。這些在當時都是適應城市大量人口需要的新型商業建筑形式。

3.3 水泥和鋼筋混凝土廣泛應用于建筑

為了把石塊或磚連結在一起，最早使用的膠結材料是天然粘土，粘土和水后有塑性和膠凝性，干后又變得相當堅硬。為了減少粘土干縮產生的裂紋，增加其強度，人們把砂和植物纖維如稻草加到粘土漿中。

進一步，人們開始使用石灰。石灰石存在很廣，也便于開采。古代人用石灰石蓋房子和砌爐灶，很快就認識到這種石料經煅燒后生成的石灰具有比天然粘土更好的膠凝性。世界上許多民族生產和使用石灰的歷史都很悠久。公元前三千年埃及金字塔中也曾使用過石灰漿。

古代羅馬人曾經利用當地由火山噴射物生成的一種天然膠結材料，把零碎的石塊連成整體的拱券結構，建造了規模巨大的斗獸場、浴場等建筑。歐洲進入封建社會以后，在地中海沿岸和其他有火山灰沉積物的地方，人們還利用這種材料做建筑膠結材料，但是沒有出現大型的混凝土建筑。這是因為，第一，這種材料很不普遍；第二，在古代條件下，建造大型混凝土結構極其耗費人力。羅馬帝國的奴隸主有大批奴隸供其驅使，而長期處于嚴重分裂狀態的歐洲封建社會則不具備采用這種材料和結構的社會條件。

在其后的一千多年中，建筑工程中使用的膠結材料沒有重要的發展。

18世紀后半葉，工業和交通的發展促成了新的建筑膠結材料的產生。

建造港口、橋涵、水壩等水下結構特別需要耐水的膠結材料，各國的工程技術界都在尋求試制這類材料。18世紀中葉，英國工程師斯密頓（J.Smeaton）注意到粘土含量較高的石灰石燒制的石灰有較好的水硬性質。通過試驗，他在1774年建造一座海上燈塔時，用石灰、粘土、砂和鐵渣的混合物砌筑了燈塔基座。

18世紀末，有人用含鋁的石灰石燒制出可以在水中硬化的材料，取名為“羅馬水泥”。1816年在法國用這種水泥建造了一座橋。在俄國，有人研究把泥灰巖煅燒后磨成細粉。人們繼續研究，從早已知道的把磚灰加進石灰漿中能提高耐水性的事實中得到啟發，許多人試驗把石灰石與粘土一同加以煅燒，如法國人維卡（L.J.Vicat，1786—1861）把白堊和粘土合起來煅燒，英國人亞斯普丁（J.Aspdin，1779—1855）把石灰石和粘土碎末合燒，后者的產品硬化后顏色與強度與波特蘭地方出產的石料很相似，因此取名為“波特蘭水泥”（Portland cement）。亞斯普丁于1824年取得專利權，波特蘭水泥的名稱也因此流傳下來。

早期水泥生產的工藝自然十分簡單，亞斯普丁曾經提到從用石灰巖或泥灰巖鋪砌的道路上收集粉塵，用作生產水泥的原料這一事實。隨著生產的發展，生產工藝和產品質量不斷改進，人們對水泥的化學性質也逐漸加深認識。繼英國之后，法國在1840年、德國在1855年開始建設水泥工廠，其他國家也相繼發展水泥工業。水泥制造逐漸成為在國民經濟中有一定地位的獨立工業部門。

波特蘭水泥出現后，用它與砂子、碎石制成的混凝土在工程中被廣泛使用?；炷量梢詽仓筛鞣N需要的形狀，當其硬化后，有很高的抗壓強度，而且能夠耐火，但在拉力作用下卻容易破裂。同它相反，鋼鐵卻有很高的抗拉強度，但在高溫下容易喪失其強度。在混凝土和鋼鐵這兩種材料已經同時存在的情況下，人們很自然會想到把這兩種材料結合起來，做成既能抗壓又能抗拉的結構材料。

很多人積極探尋把鋼鐵同混凝土結合起來共同工作的構造方式。波特蘭水泥出現不久，即有人提出了在鐵梁之間用混凝土筑成樓板的方案（1829）。到19世紀40年代，英國有些多層廠房和倉庫中，把煅鐵板做成拱殼，架在橫梁上，鐵板上填灌混凝土，以此代替不耐振動的磚拱樓板。在使用磚拱時，有的橫梁間的鐵拉桿被埋置在混凝土中（如1845年英國土木工程師費爾貝恩建造的廠房）。很明顯，這種做法是對磚拱樓板的模仿。進一步的發展是在混凝土中有目的地配置具有抗拉力的鋼鐵材料，這一步首先是在用水泥制作其他器物的過程中實現的。

19世紀50年代，法國人朗勃（Lambot）用水泥制造小船只，水泥中用了金屬絲網（1854年在巴黎博覽會上展出）。1861年，法國工程師克瓦涅（F.Coignet）提出了在混凝土中配置鋼筋，用來建造水壩、管道和樓板構件的方法（F.Coignet：Les bétons agglomérés appligue? á 1árt de construise，Paris，1861）。從19世紀50年代開始，美國人雅特（T.Hyatt）也對配置鋼筋的混凝土構件進行試驗。雅特對鋼鐵在混凝土中的作用有正確認識，他把鋼鐵集中配置在梁的受拉區，在靠近支點處鋼筋向上翻起，并在梁中設置垂直的鋼箍。雅特在1878年寫道：“鐵或鋼作為拉桿可以與混凝土或磚結合在一起，當梁或結構受彎時，鐵或鋼提供全部抗拉能力，同其他材料的抗壓能力相平衡?！?/p>

以上一些人取得的成果很少為人知道，影響不大，后來廣為傳播的是法國園藝師芒耶（J.Monier，1828—1906）在1867年用鐵絲網夾在混凝土中做成的盆罐。以后芒耶又配鋼筋混凝土生產管子、鐵路軌枕及其他構件。1873年前后，芒耶用鋼筋混凝土建造過幾個貯水池，1875年他建造了第一座鋼筋混凝土橋（長16米，寬4米）。不過芒耶當時還沒有掌握鋼筋在混凝土中的結構作用，他主要是從塑造形體的需要來配置鋼筋，盡管如此，他對鋼筋混凝土的推廣使用仍有較大影響。1890年在瑞士和德國用這種材料建造的拱橋，跨度達到40米。德國不來梅工業展覽中的拱橋，拱尖厚25厘米。

19世紀90年代，鋼筋混凝土開始用于房屋結構。最先用鋼筋混凝土建造完整房屋的是德國營造者杭尼比克（F.Hennebigue，1842—1921），他吸取很多工匠的經驗，在19世紀90年代發展出使用鋼筋混凝土建造房屋的基礎、柱、梁、樓板、屋蓋的完整系統構造，發揮了鋼筋混凝土的整體性優點。杭尼比克用這種系統在歐洲許多地方建造橋梁、工廠、谷倉、水利工程和百貨公司等。他在給自己建造的鋼筋混凝土結構的住宅中，有大膽懸挑的樓層和屋頂花園。杭尼比克的鋼筋混凝土房屋使人們開始進一步認識到這種材料用于房屋建筑的可能性和重要性。這一時期，巴黎甚至出現了用鋼筋混凝土建造的教堂（Saut-Jean de Mont-martre，1894年始建）。在20世紀90年代，美國也開始出現鋼筋混凝土的建筑。

在實踐的過程中，鋼筋混凝土結構的理論分析也逐漸形成。1886年，柏林一些科學技術人員開始進行一系列科學實驗，在實驗基礎上第一次提出了鋼筋混凝土結構的理論和計算公式（M.Koehen，1849—1924）。計算中把梁的中心軸放在截面中心，略去混凝土的抗拉強度，依此來計算抗拉鋼筋。1894年，法國工程師Edmond Coignet與De Tedesco也提出了鋼筋混凝土結構的計算方法。

總的看來，在19世紀結束的時候，人們對運用鋼結構有了更多的信心，而鋼筋混凝土結構的建筑還只是一些個別的嘗試，對鋼筋混凝土及其結構的理論分析還遠未成熟。

3.4 近代結構科學的發展歷程

3.4.1 力學的進展

古代勞動人民在建造房屋的實踐中，很早就發展出多種多樣的結構類型。梁、柱、拱券、懸索、穹頂、木屋架、木框架等都有數千年的歷史。由此構成的許多古代宏偉建筑物，至今還使我們驚嘆不已。

在實踐中人們逐步積累了關于力學和結構的初步知識。中國春秋戰國時期墨翟（約前468—前376）的《墨經》中，有關于力、杠桿、繩索、二力平衡以及物體運動的描述，可能是世界上關于力學的最早的資料。在歐洲，晚于墨翟一百多年的希臘學者阿基米德（Archimedes，前287—前212），也對當時的力學經驗作過初步的概括。

可是，在封建社會時期，無論是中國還是外國，力學同其他科學一樣，長期處于停滯狀態。在歐洲，從阿基米德到中世紀末的一千多年中，這方面幾乎沒有什么重大的進展。在中國長期封建社會中，在工程方面，雖然有許多發明創造，但是力學和結構的知識始終停滯在宏觀經驗的階段，沒有上升為系統的科學理論。

這種狀況是封建社會制度造成的。

在這種狀況下，無論中國還是外國，封建社會的工匠們在工作中一般只能按照經驗或宏觀的感性判斷辦事。一些工程做法、構件尺寸等大都以文字或數字的規定表現出來。例如12世紀中國宋代的《營造法式》和清代工部《工程做法則例》就是這樣的。在國外，15世紀意大利阿爾伯蒂（Alberti，1404—1472）的著作中關于拱橋的做法規定如下：拱券凈跨應大于4倍小于6倍橋墩的寬度，橋墩寬度應為橋高的1/4，石券厚度應不小于跨度的1/10。這一類的法則和規定可能是符合力學原理的，但即使這樣，它們也不是具體分析和計算的結果，而是某種規范化的經驗。古代建筑著作中關于結構和構造的論述，即所謂“法式制度”，其大部分內容都不外乎這類規范化的經驗。建筑經驗愈是規范化，便愈不容易被突破，它們成為一種傳統，在一定程度上束縛了建筑和工程中的革新發展。另一方面，基于宏觀的感性經驗而得出的結構和構造，一般截面偏大，用料偏多，安全系數很大。古代許多建筑物能夠保留至今，原因之一，就是其結構有很大的強度儲備。

對工程結構進行科學的分析和必要的計算，是相當晚才出現的。它是在資本主義生產方式出現以后，經過幾百年的時間逐步發展起來的。

恩格斯寫道：“現代的自然研究同古代人的天才的自然哲學的直覺相反，同阿拉伯人的非常重要的、但是零散的并且大部分已經毫無結果地消失了的發現相反，它唯一地達到了科學的、系統的和全面的發展——現代的自然研究，和整個近代史一樣，是從這樣一個偉大的時代算起……這個時代是從15世紀下半葉開始的。”

15世紀后半葉，資本主義生產關系首先在歐洲一些地方開始萌芽。隨著工廠手工業和商業貿易的發展，新興的資產階級為擺脫教會的神權統治進行著斗爭，科學在同神學束縛的斗爭中開始發展。

“隨著中間階級的興起，科學也迅速振興了；天文學、力學、物理學、解剖學和生理學的研究又活躍起來。資產階級為了發展工業生產，需要科學來查明自然物體的物理特性，弄清自然力的作用方式。在此以前，科學只是教會的恭順的婢女，不得超越宗教信仰所規定的界限，因此根本就不是科學?，F在，科學反叛教會了；資產階級沒有科學是不行的，所以也不得不參加反叛?！?/p>

對工程結構進行分析和計算，依賴于力學的發展。15世紀以后，在自然科學發展的最初一個時期，力學就開始迅速發展，正如恩格斯所言，那時“占首要地位的必然是最基本的自然科學，即關于地球上的物體和天體的力學，和它靠近并且為它服務的，是一些數學方法的發現和完善化。在這方面已取得了一些偉大的成就?！辟Y本主義生產關系最先在意大利、荷蘭，隨后在英國、法國等西歐國家出現和發展起來，因此很自然地，在這些國家里先后出現了一些對力學科學做出重大貢獻的科學家。

15世紀末，意大利工程師、藝術家達·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519）曾探索過一些與工程有關的力學問題，如起重機具的滑輪和杠桿系統、梁的強度等問題。從他的筆記中可以知道，他已有了力的平行四邊形和拱的推力的正確概念，他指出梁的強度與其長度成反比，與寬度成正比，離支點最遠處彎曲最大。達·芬奇還做了一些試驗，研究“各種不同長度鐵絲的強度”等等。他寫道：“力學是數學的樂園，因為我們在這里獲得了數學的果實。”他是最先應用數學方法分析力學問題并通過試驗決定材料強度的人之一。

世界新航路的發現（1492年哥倫布到達美洲，1522年麥哲倫作環球航行），為歐洲新興資產階級開辟了新的侵略擴張場所。16世紀后半葉，歐洲一些國家的商業、工業和航海業空前高漲，對科學技術提出許多迫切要求。建造更大噸位的海船、修建大型水利工程等，需要改進船體和工程的結構。解決這些新的技術問題，不能單純抄襲已有船只和照搬傳統的工程做法，必須研究事物本身的規律性。在工程結構方面，就有人提出了研究構件的形狀尺寸與荷載之間的關系問題，以便盡可能準確地預先估計結構強度與可靠性。

意大利科學家伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）適應當時生產的實際需要，首先做出重要的貢獻。伽利略在觀測與實驗的基礎上進行理論研究。他曾在意大利比薩地方的斜塔上做過著名的落體實驗，推翻了亞里士多德的錯誤見解。他發現拋射體的軌道是拋物線，建立了落體定律、慣性定律等，奠定了動力學的基礎。

1638年伽利略出版了《關于兩種新科學——力學和局部運動——的論述與數學證明》，書中從參觀威尼斯一個兵工廠所做的觀察談起，論證構件形狀、大小和強度的關系。他最先把梁抵抗彎曲的問題作為力學問題，通過實驗和理論分析，研究桿件尺寸與所能承受的荷載之間的關系。伽利略的這一著作是材料力學領域的第一本科學著作，標志著用力學方法解決簡單構件計算問題的開端。

伽利略是從剛體力學的觀點研究梁的彎曲的，當時還不知道力與受力物體形變之間的關系。1678年，英國皇家學會實驗室主任胡克（Robert Hooke，1635—1703）根據用彈簧所做的實驗提出著名的胡克定律，奠定了彈性體靜力學的基礎。

英國科學家牛頓（Isaac Newton，1642—1727）在總結前人成就的基礎上，通過自己的觀察、實驗和理論研究，解決了許多重要的力學和數學問題，為古典力學建立了完備的基礎。

恩格斯在講到力學和數學等基本自然科學的早期發展時寫道：“在以牛頓和林耐為標志的這一時期末，我們見到這些科學部門在某種程度上已臻完成。最重要的數學方法基本上被確立了；主要由笛卡爾確立了解析幾何，耐普爾確立了對數，萊布尼茨，也許還有牛頓確立了微積分。固體力學也是一樣，它的主要規律一舉弄清楚了。”

17世紀后期，牛頓和德國的萊布尼茨幾乎同時創立了微積分的基礎，以后經過逐步完善，成為科學研究中的新的有力的數學工具。微積分及其他數學方法的發展，促使力學在18世紀沿著數學解析的途徑進一步發展起來。

瑞士人約翰·伯努利（Johann Bernoulli，1667—1748）以普遍的形式表述了虛位移原理。他的哥哥雅各布·伯努利（Jakob Bernoulli，1654—1705）提出梁變形時的平截面假定。瑞士人歐拉（Euler，1707—1783）在力學方面做了大量工作，建立了梁的彈性曲線理論、壓桿的穩定理論等。意大利裔法國數學家拉格朗日（Lagrange，1736—1813）提出了廣義力和廣義坐標的概念等。這些人本身都是卓越的數學家，他們從數理分析的途徑研究力學問題，發現了許多重要的力學原理，大大豐富和深化了力學內容。

雖然力學本身有了重要的進展，不過在18世紀前期，建筑工程仍像先前一樣照傳統經驗辦事。原因是多方面的，首先是力學科學本身還沒有成熟到足以解決復雜的實際工程結構問題的程度；其次，在17、18兩個世紀中，從牛頓到拉格朗日，力學家們對于工程問題很少注意，他們的著作都不涉及結構強度問題；第三，也是最重要的，是工業革命之前，房屋建筑本身也沒有進行結構計算的實際需要，只是在極為特殊的場合，才感到有加以計算的必要。1742年羅馬圣彼得大教堂圓頂的修繕就是一個例子。

3.4.2 房屋結構計算的嘗試

羅馬教廷的圣彼得大教堂是世界上最大的教堂，1506年開始設計，1626年最終竣工。它的主要圓頂直徑為41.91米，內部頂點距地面111米，圓頂由雙層磚砌拱殼組成，底邊厚約3米。龐大沉重的圓頂由四個墩座支承著。圓頂建于1585—1590年。建筑師米開朗琪羅（Michelangelo，1475—1564）當年設計這個圓頂時，主要著眼于建筑藝術構圖，圓頂的結構、構造和尺寸全憑經驗估定。建成不久，圓頂開始出現裂縫，到18世紀，裂縫日益明顯。當時人們對于裂縫產生的原因議論紛紜，莫衷一是。1742年教皇下令查清裂縫原因，以確定補救辦法。

對于一般房屋，依靠直觀和經驗就能決定修繕方案。對于圣彼得大教堂這樣復雜巨大而特殊重要的建筑物來說，不得不作深入一些的分析研究。當時，法國資產階級啟蒙思想家的機械唯物論的哲學思想已經傳播開來。在這種思想背景下，三個數學家（Le Seur，Jacguier & Boscowich）被招來研究圓頂的破壞原因。他們先對建筑物的現狀做了詳盡的測繪，對裂縫進行了多次不同時間的觀察，從而否定了裂縫產生于基礎沉陷和柱墩截面尺寸不足的猜測。他們的結論是圓頂上原有的鐵箍松弛，不足以抵抗圓頂的水平推力。三個數學家進而計算圓頂的推力。按照他們的計算結果，圓頂上有320萬羅馬磅（約1.08×107牛）的推力還沒有得到平衡，他們建議在圓頂上增設鐵箍。

這個時期，人們對于在工程技術中利用數學工具還很陌生，對于這樣的新事物甚至抱有反感。數學家們的報告發表以后引起了一片懷疑和非難之聲：“米開朗琪羅不懂數學，不是造出了這個圓頂嘛！”“沒有數學，沒有這種力學，建成了圣彼得大教堂，不用數學家和數學，肯定也能把它修復！”“如果還有320萬磅的差額，圓頂根本就蓋不起來！上帝否定這個計算的正確性?！钡取?/p>

懷疑和非難如此強烈，于是又請來著名的工程師兼教授波來尼（Giovanni Poleni，1685—1761）再作研究。他表示：按三個數學家的計算，整個圓頂連柱墩和扶壁都要翻動了，而這是不可能的。他認為裂縫產生于地震、雷擊等外力的作用和圓頂砌筑質量不佳、重量傳遞不均勻等原因，但結論仍是增設鐵箍。1744年，圓頂上增設了五道鐵箍。

當時拱的理論還沒有成熟，計算變形的方法還很原始，實際上尚不具備正確分析圓頂破壞原因的理論基礎，那三位數學家的計算建立在錯誤的假設之上，不符合實際情況。盡管如此，他們的工作在建筑史上仍是有意義的——解決工程問題不再唯一地依靠經驗和感覺了，用力學知識加以分析，通過定量計算決定構件尺寸的嘗試已經開始，這是對傳統建筑設計方法的一次突破。16世紀文藝復興時期由建筑師按藝術構圖需要決定的教堂圓頂，到了18世紀，受到用力學和數學知識武裝起來的科學家的檢驗，這件事本身就預示著建筑業不久即將出現重大變革。

圣彼得大教堂的穹頂是在建成150年后才進行力學分析和計算的。不久以后，巴黎建造另一座教堂時就前進了一步：在建造過程中，就引入了對結構的科學實驗和分析計算。

1757年，法國建筑師蘇夫洛（Soufflot，1713—1780）在設計圣日內維埃教堂（Sainte Genevieve，又名Pantheon）時把穹頂安放在四個截面比較細小的柱墩上，這個方案引起了爭論。為了判斷柱墩截面是否適當，需要了解石料的抗壓強度。工程師高隨（Gauthey，1732—1806）為此專門設計了一種材料試驗機械，對各種石料樣品做了試驗，結論是柱墩截面已經夠用，甚至還能支承更大的穹頂。高隨把他的試驗數據同一些現有建筑物中石料承受的壓力相比較，發現現有的石造房屋的安全系數一般不小于10。但是，圣日內維埃教堂建成時，在拆除腳手架之后，立即發現了明顯的裂縫。高隨對此又作了深入的調查，并第一次對灰漿做了壓力試驗，結果證明裂縫是因施工質量不佳，降低了砌體強度而引起的。這座教堂的石墻上使用了鐵箍和鐵鋦，高隨對鐵條加固的石砌過梁做了受彎試驗。在房屋的設計階段科學實驗開始發揮作用。這也表明，重大的建筑工程需要由建筑師同工程師配合來完成。

不過，在建筑中引入力學計算和實驗的必要性要為多數人所認識還得有一個過程。直到19世紀初，還有人公開對建筑與科學的結合大潑涼水。1805年巴黎公共工程委員會的一個建筑師宣稱：“在建筑領域中，對于確定房屋的堅固性來說，那些復雜的計算，符號和代數的糾纏，什么乘方、平方根、指數、系數，全都沒有必要！”（C.F.Viel，De l'impuissance des mathematiques pour assurer la solidite de batiment，1805）1822年英國有個木工出身的工程師甚至說：“建筑的堅固性同建造者的科學性成反比！”

傳統和習慣勢力是頑固的。但科學方法還是漸漸被人接受，取代了傳統的做法。

3.4.3 工業革命與結構科學

18世紀后期，英國首先開始工業革命，到19世紀，工業革命浪潮遍及資本主義各國。前一時期，力學及其他自然科學由于工場手工業的需要而得到發展，反過來又為建立機器工業作了準備。工業革命后，機器生產及各種工程建設要求把科學成果廣泛應用于實際生產之中，同時提出了大量的新課題，促使力學及其他自然科學迅速向前發展。

在西歐和美國，工廠、鐵路、堤壩、橋梁、高大的煙囪、大跨度房屋和多層建筑如雨后春筍般建造起來。工程規模愈來愈大，技術日益復雜。在19世紀，鐵路橋梁是工程建設中最困難最復雜的一部分，它對力學和結構科學的發展有突出的推動作用。

迅速蔓延的鐵路線，帶來了大量的建橋任務，英國在鐵路出現后的70年中，就建造了2500座大小橋梁，有的要在寬深的河流和險峻的山谷間建造。為了減少造價昂貴、施工困難的橋墩，橋的跨度不斷增大。原有的橋梁形式不再適用了，必須尋找出自重輕而能承受很大荷載的新的結構形式。

早期的鐵路橋梁史上，有著一系列工程失敗的記錄。1820年，英國特維德河上的聯合大橋（Union Bridge，長137米）建成半年后垮了。1830年，英國梯河上一座鐵路懸索橋，在列車通過時橋面出現波浪形變形，幾年之后裂成碎塊。1831年，英國布洛頓懸索橋在一隊士兵通過時毀壞了。1840年，法國洛克·貝爾拉赫懸索橋（Roche Bernard Bridge，長195.5米）建成不久，橋面被風吹掉。1878年，英國泰河（Tay River）上的鐵路大橋（共13跨，其中的幾跨跨度為75米），通車一年半后，當一列火車在大風中通過時，橋身突然破裂，連同列車一起墜入河中。失敗教訓了人們：必須深入掌握建筑結構的工作規律。

以前，橋梁和其他大型工程通常是由國家和地方當局或公共團體投資建造的。資本主義經濟發展后，大多數工程，包括大型鐵路橋梁在內，往往是個別資本家或他們的公司的私產，資本家迫切要求減少材料和人力消耗，盡量縮短工期，以最少的投資獲取最大的利潤，盡一切努力防止工程失敗而招致嚴重的損失。工程規模越大，投資越多，工程一旦失敗，將給資本家帶來難以承受的巨大損失。古代埃及的法老和羅馬的皇帝們，在建造金字塔和宮殿時，可以毫無顧惜地投入大量奴隸勞動；中世紀的哥特式教堂，是不慌不忙建造起來的，蓋一點，瞧一瞧，不行再改，一座教堂在十幾年內建成算是很快的，有的一拖就是幾十年、上百年。近代資產階級不能容忍這種做法。它要求在工程實施前周密擘畫，精打細算，不允許擔著風險走著瞧的干法。這樣，工業革命以后，在工商業資產階級的經濟利益的推動下，結構分析和計算日益受到重視，成為重要的工程設計中必不可少的步驟，當缺乏可靠的理論和適用的計算方法時，要進行必要的實驗研究。

恩格斯曾指出，資產階級沒有科學是不行的。沒有科學，近代工業就建立不起來。1809年，當了皇帝的拿破侖親自到法國科學院參加科學報告會。這位東征西討的皇帝忽然對薄板的振動實驗發生了興趣。聽完實驗報告，他還向科學院建議，用懸賞的方式征求關于板的振動理論的數學證明。他的目的是鼓勵科學家們用科學成果為正在發展中的法國工業服務。

工業和交通建設怎樣促進當時工程結構科學的發展，可以從當時一位著名工程師的一段話中得到生動的說明。1857年，三彎矩方程的創立者之一，法國的克拉貝?。–lapeyron，1799—1864）在向科學院提交的論文中寫道：“鐵路方面的巨大投資，給予結構理論以熱烈的推動，因為它經常使工程師們必須去克服一些困難，而在過去幾年，他們在這些困難面前，還自認是無能為力的。”接著，他在論文中提出了當時迫切需要的連續梁的計算方法。

3.4.4 幾種結構類型計算理論的發展

總的說來，17和18世紀，人們主要是研究簡單桿件（即梁或柱）的問題，其主要理論和計算方法到19世紀初已經大體完備了。后來，由若干桿件組成的桿件系統成為重要的研究對象，形成結構力學的主要內容。從建立連續梁和桁架理論開始，結構力學于19世紀中期從力學中劃分出來，成為一門獨立的工程學科。

到19世紀末期，材料力學和結構力學達到的成果，使人們掌握了一般桿件結構的基本規律和工程中實際可用的計算方法。下面就以房屋建筑中幾種結構類型，即簡單梁、連續梁、拱、桁架及超靜定體系為例，稍為具體地介紹人們怎樣在實踐—理論—實踐的反復循環中，一步步由淺入深、去粗取精，從感性認識達到理性認識的發展過程。

1.梁

梁的使用很早也很普遍。梁是一種很簡單的結構，但是實際上，梁的工作狀況和它內在的受力規律卻是經過了很長的時間和曲折的途徑才逐步揭露出來的。

《墨經》上有關于梁的性能的初步描述：“衡木加重焉而不撓，極勝重也。若校交繩，無加焉而撓，極不勝重也?！保ā督浾f》下）這是把木梁同懸索加以比較，指出它具有抗撓曲的性能?！赌洝泛芸赡苁鞘澜缟献钤缯摷傲旱氖芰π再|的文獻。

文藝復興時期，意大利的達·芬奇開始思考梁的強度問題，他指出，簡支“梁的強度同它的長度成反比，同寬度成正比”“如截面與材料都均勻，距支點最遠處，其彎曲最大”。達·芬奇還沒有論及梁的強度與高度的關系。

17世紀初，伽利略由于造船業發展的需要，著重研究過梁的強度問題。他指出，簡支梁受一集中荷載時，荷載下面彎矩最大，其大小與荷載距兩支座的距離的乘積成正比。他提出梁的抗彎強度與梁的高度的平方成正比。矩形截面的梁，平放和立放時，抵抗斷裂的能力不同，兩者之比等于短邊與長邊之比。伽利略還推導出等強度懸臂梁（矩形截面）的一個邊應是拋物線形。伽利略提出了用計算方法來確定梁的截面尺寸和所能支持的荷載之間的關系?？墒撬诜治鰬冶哿旱膬攘r，錯誤地認為梁的全部纖維都受拉伸，截面上應力大小相同。他把中性軸定在梁的一個邊上。

伽利略時期，人們還不了解應力與形變之間的關系，缺少解決梁的彎曲問題的理論基礎。

1678年，胡克通過科學實驗提出受力體的形變與作用力成正比的胡克定律。他明確地提出梁的彎曲的概念，指出凸面上的纖維被拉長，凹面上的纖維受到壓縮。

1680年，法國物理學家馬里奧特（Mariotte，1620—1684）經過對木材、金屬和玻璃桿所做的大量拉伸和彎曲實驗，也發現物體受拉時的伸長量與作用力成正比關系。他在研究梁的彎曲時，考慮彈性形變，得出梁截面上應力分布的正確概念，指出受拉部分的合力與受壓部分的合力大小相等。由于第一次引入彈性形變概念，馬里奧特改進了梁的彎曲理論?？墒?，由于計算中的錯誤，他沒有得出正確的結論。

馬里奧特從實驗中還發現，兩端固定的梁所能承受的中央荷載的極限值比簡支梁要高出1倍，他指出支座約束影響梁的抗荷能力。1705年，雅各布·伯努利提出了梁彎曲時的平截面假設。

1713年，法國拔侖特（Parent，1666—1716）在關于梁的彎曲的研究報告中，糾正了前人在中性軸問題上的錯誤，指出正確決定中性軸位置的重要性。他對于梁截面上的應力分布有了更正確的概念，并指出截面上存在著剪力，他實際上解決了梁彎曲的靜力學問題?？梢皂槺闾峒暗氖?，拔侖特曾提出從一根圓木中截取強度最大的矩形梁的方法：將直徑分為三等份，從中間兩個分點分別作兩垂線與圓相交，便得出ab2為最大值的木梁。但是拔侖特的研究成果沒有經科學院刊行，他的公式推導也不易為人看懂，因而當時未受到重視。

又過了六十多年，法國的庫侖（Coulomb，1736—1806）——一個從事過多年實際建筑工作的工程師和科學家——于1776年發表了關于梁的研究成果。他運用三個靜力平衡方程式計算內力，導出計算梁的極限荷載的算式。他證明，如梁的高度與長度相比甚小時，剪力對梁的強度影響可以略去不計。庫侖提供了與現代材料力學中通用的理論較為接近的梁的彎曲理論。

從伽利略提出梁的強度計算問題算起，到1776年庫侖提出梁的彎曲理論，這中間經過了138年。

庫侖提出的梁的計算方法，當時也沒有得到應用。又經過了四十多年，才受到工程師們的重視。到庫侖為止所得到的梁的彎曲理論還是建立在一些簡化的假定之上，因而是不太精確的。不過后來證明，由此所得到的結果對于一般的短梁來說同實際情況相差并不大，而所用的數學比較簡單，這對于一般工程問題是適用的。

19世紀上半葉，許多研究者進一步把彈性理論引入梁的彎曲研究中，發展出精確的梁的彎曲理論。

在這方面，法國工程師納維（Navier，1785—1838）首先做出了貢獻。納維早期曾以為中性軸的位置無關緊要，而把凹方的切線取做中性軸（1813）。以后他改過來，假定中性軸把截面劃為兩部分，拉應力對此軸的力矩與壓應力對此軸的力矩相等（1819）。最后他正確地認識到：當材料服從胡克定律時，中性軸通過梁的截面形心（1826）。他糾正了自己原來的錯誤。

納維在1826年的著作中指出，最主要的是尋求一個極限，使結構保持彈性而不產生永久變形。他認為導出的公式必須適用于現有的十分堅固的結構物，這樣才能為建造新的結構物選定適當的尺寸。他實際上提出了按允許應力進行結構設計的原則。納維還指出，要說明某一材料的特性，僅得出它的極限強度還不夠，還需說明其彈性模量。彈性模量的概念過去已為湯姆士·楊提出過，但納維得出了這個概念的正確定義。納維導出了梁的撓曲線方程。他又研究出一端固定一端簡支的梁、兩端固定的梁、具有三個支座的梁以及曲桿彎曲等超靜定問題的解法。至于梁不在力所作用的同一平面內彎曲和梁彎曲時的剪應力問題，不久由別人解決了。

法國工程師和科學家圣維南（Saint-Venant，1797—1886）在1856年提出了各種截面棱柱桿彎曲的精確解，并進一步考慮了彎曲與扭轉的聯合作用。除了截面上分布的應力，他還計算了主應力和最大應變，并第一次對梁彎曲時橫截面形狀的變化做了研究。他還研究了梁中的剪應力。圣維南在梁的彎曲方面做出了新的重要貢獻。

圣維南關于梁內剪應力的解決只限于幾種簡單截面形狀。俄國工程師儒拉夫斯基（Д.И.Жypaьcкий，1821—1891）在建造鐵路木橋的實踐中，發展了梁彎曲時剪應力的理論，并提出組合梁的計算方法（1856）。

對一般結構工程的應用來說，梁的理論和計算方法，在19世紀中期已經成熟。但在彈性理論范圍內，研究還在繼續深入。

2.連續梁

對連續梁的科學研究開始于18世紀后期，它隨著鋼鐵材料在橋梁上逐漸得到廣泛應用而發展起來。距今二百多年前，歐拉開始分析連續梁時把梁本身看作絕對剛體，而把支座看成是彈性移動的。他沒有能夠得出正確的結果。但歐拉指出只靠靜力平衡條件，不能解決連續梁問題，點明了問題的性質。

19世紀初，德國工程師歐捷利溫（Eytelivein，1764—1848）改變分析方法，把連續梁看作放在剛性支座上的彈性桿，得出雙跨連續梁在自重和集中荷載下支座反力的計算公式（1808）。但歐捷利溫的公式十分繁雜，不能在實際中應用。1826年，納維在這個問題上也采取了與歐捷利溫相同的方法。兩人都是通過最困難的途徑尋求解答，然而大量的鐵路橋梁和其他工程任務迫切需要找出簡捷與完善的計算方法。前面已提到過的英國不列顛尼亞橋的興建（1846—1849）就是一個例子，盡管設計人之一曾按納維的方法研究過連續梁，但是實際上還是不能做出計算。最后仍是按簡支梁模型的實驗數據來決定這座四跨連續梁的管橋結構尺寸。這是不得已的辦法。

正當英國不列顛尼亞橋接近完工的時候，在歐洲大陸上，解決連續梁計算問題的三彎矩方程出現了。它像許多發現和發明一樣，也不是一個人，而是由許多人幾乎同時提出來的。

1849年，法國的克拉貝隆在重建一座橋梁時，研究了連續梁的計算問題，對于n跨的連續梁，他列出了2n個方程組和2n-2個補充方程，計算仍然繁難，但其中包含著新方法的萌芽。8年后，克拉貝隆在論文中提出了三彎矩方程（1857）。

1855年，另一個法國工程師貝爾托（Bertot）發表簡化的三彎矩方程，同時期另外一些結構著作如1857年巴黎出版的《鋼橋結構的理論與實際》（L.Molinos與C.Pronnier）和德國斯圖加特出版的《橋梁結構》（F.Laissle與A.Schübler）等書中也有類似的方法。德國工業學院教授布累塞（J.A.C.Bresse，1822—1883）進一步完善了連續梁理論（1865）。不久，德國工程師摩爾（O.Mohr，1835—1918）提出三彎矩方程的圖解法（1868），使工程設計時有了簡便的計算方法。

連續梁計算方法建立后，人們回過頭去對已建成的不列顛尼亞橋加以檢核。莫尼諾斯和曾朗尼爾對該橋進行計算，算出它上面各處的最大應力（此處對當時數據不予改動，但應指出，磅力/英寸2為非法定單位，它與法定應力單位帕的換算關系為：1磅力/英寸2=6894.76帕）：第一跨中央4270磅力/英寸2，第一支座上12800磅力/英寸2，第二跨中央7820磅力/英寸2，中央支座上12200磅力/英寸2?？死惵≈赋?，如果改變鋼板厚度，加強支座，可以改善橋的結構。

19世紀后期，連續梁的計算也比較完善了，在實際工作中可以很快求出不同的連續梁在各種荷載作用下的彎矩、剪力和撓度，并有足夠的精度。

3.拱

拱的實際應用不僅歷史悠久，而且早就達到了很高的水平。古代羅馬人是運用這種結構形式的能手，西歐中世紀哥特式教堂中的拱券結構更是非常精巧，至今令人驚嘆不已。中國隋代的趙縣大石橋跨度37.5米，是世界最早的敞肩石拱橋。

但是人們對拱的理解卻長期停留在感性的階段。古代阿拉伯諺語說：“拱從來不睡覺”。15世紀末達·芬奇還這樣描述拱的工作原理：“兩個弱者互相支承起來即成為一個強者，這樣，宇宙的一半支承在另一半之上，變成穩定的?！保ㄞD引自拉賓諾維奇：《建筑力學教程》第2卷第1分冊，高等教育出版社1956年版，第275頁）意大利文藝復興時期的建筑師和建筑理論家阿爾伯蒂（L.B.Alberti，1404—1472）認為拱是彼此支承的楔塊體系，楔塊相互擠壓，而不由任何東西連結。他認為半圓拱是一切拱中最強的。這個觀點，在長時間內支配著人們對拱的看法。

17世紀末胡克開始分析拱的受力性質。他提出拱的合理形式應和倒過來的懸索一致。18世紀初，法國建造大量的公路拱橋，工程師們為建立拱的理論而努力。第一個用靜力學來研究拱的是拉耶爾（Lahire，1640—1718），他證明，如果各楔塊間完全平滑，則半圓拱不可能穩定，是膠結料防止了滑動才得以穩定。這時有人對拱的破壞進行模擬實驗，發現拱的典型破壞是由于接縫張開而斷裂為四個部分。1773年，庫侖指出要避免拱的破壞，不但需要防止滑動，還要防止破壞時的相對轉動。他計算出防止破壞所需的平衡力的極限值，但沒有定出拱的設計法則。

法國工程師們繼續對拱做大量實驗和觀測，證實了庫侖的觀點。但是困難在于求定斷裂截面的位置。

19世紀初，克拉貝隆和另一法國工程師拉梅（M.G.Lame）在俄國工作，他們為建造圣伊隆克教堂的穹頂和筒拱進行研究。他們提出一種求定破壞截面的圖解方法（1823）。接著納維研究拱的應力分布問題，提出支座底面尺寸的計算方法（1826）。

拱臨近破壞時張開的裂縫有如一個鉸點，由此引起一種想法：為了在工程中消除這種鉸點位置的不確定性，可以預先在拱內設置真正的鉸點。這樣就出現了三鉸拱的設計。1858年出現了在橋墩處有鉸的金屬拱橋，1865年出現了在每個支座和各跨中央設有鉸的拱橋。1870年甚至還出現過設有鉸的石拱橋，方法是在墩座處和拱頂點埋置鉛條。不過，三鉸拱橋并沒有廣泛使用，拱式橋梁中較多的還是超靜定的雙鉸拱。三鉸拱和三鉸剛架后來多用于大跨度房屋中。

當彈性曲桿的研究有了進展以后，法國的彭西列特（Poncelet，1788—1867）指出，只有將拱當作彈性曲桿，才能得出精確的應力分析。可是工程師們向來認為石拱由絕對剛體組成，與彈性理論無關。又經過許多實驗研究，包括奧地利工程師與建筑師學會一個專門委員會所做的大量實驗之后，人們才逐漸相信彈性曲桿理論對于決定石拱的正確尺寸有重要意義。德國的尹克勒和摩爾等人把這個理論應用于拱的分析。尹克勒討論了雙鉸拱和固端拱，提出關于壓力線位置的尹克勒原理（1868），摩爾提出了分析拱的圖解方法（1870）。俄國高勞文（X.C.Гoлoвин，1844—1904）分析拱的應力與變形，給出了固端拱的計算。他發現拱內還有剪應力和徑向作用的應力，但又證明近似解與精確解之差不大于10%~12%，因而在實際應用中是可行的（1882）。

19世紀末鋼筋混凝土出現后，拱的理論研究進入了一個新的階段。

4.桁架

用多根木料構成屋架和其他構架，以跨越較大的空間，這是古代已有的結構形式，不過，無論在中國或外國，古代的屋架和其他桿件體系大都是組合梁的性質，屬于梁式體系。其中的腹桿，主要起著把橫梁聯系在一起的作用。中國古代工匠對于三角形的穩定性大概是了解的。但是，在建筑歷史上，三角形結構時而出現，時而又消失了。一般說來，古代的屋架同現代桁架有很大差別。

現代桁架及其理論是在建造鐵路橋梁的過程中發展起來的。鐵路剛出現的時期，西歐國家常用石頭或鑄鐵的拱橋通行火車；而在美國和俄國，在人煙稀少的地區，則常用木料建造鐵路橋。為了適應火車通行和加大跨度，這類橋梁的形式從襲用舊式木橋逐漸走向創新，出現過多種多樣的木橋結構形式。鋼橋代替木橋以后，桿件截面變小，結點構造簡化了。金屬材料的優良性能更促進了對桿件體系的分析研究。19世紀中期，在美國和俄國出現了初步的桁架理論。1847年，美國工程師惠潑（S.Whipple，1804—1885）在其所著的《論橋梁建造》（An Essay on Bridge Building）中提出靜定桁架的計算辦法。同一時期，俄國儒拉夫斯基在建造木料鐵路橋時提出了平行桁架的分析方法，進一步又研究過復雜桁架的計算，于1850年提出桁架分析的論文。

美國的工程師在實踐中有許多大膽的創新，但往往滿足于用自己的發明取得專利，對理論研究常常不夠重視。因此，桁架理論的進一步發展主要仍在歐洲。

惠潑和儒拉夫斯基在求桿件內力時采用的是節點法。德國工程師施維德勒（J.W.Schwedler，1823—1894）又提出了截面法（1851）。而后庫爾曼（T.K.Culmann，1821—1881）和馬克斯威爾（C.Maxwell，1831—1879）介紹了分析桁架的圖解方法。到19世紀70年代，這些方法經過完善和簡化已足以計算當時所用的一般靜定桁架。桿件和結點數目不多、圖形簡單、用料經濟的靜定桁架在實際建設中逐漸被采用。

人們進而研究復雜的超靜定桁架。儒拉夫斯基提出過多斜桿連續桁架的近似計算。各國的工程師和科學家如德國的克列布希（A.Clebsch，1833—1872）、馬克斯威爾、摩爾，意大利的卡斯提安諾（A.Castigliano，1847—1884）和俄國的喀比杰夫（B.Л. Kиpпичeь，1844—1913）等，為超靜定桁架的計算奠定了理論基礎。到19世紀80年代，人們已能用比較精確的方法計算這種結構了。

對于空間桁架，德國天文學教授穆比斯（A.F.Mobius，1790—1868），在19世紀30年代曾作了一些探討，但其著作多年未被人注意。在實際工作中，空間桁架的計算工作極為繁復，因而在很長一段時間內很少實際應用。19世紀末期，人們提出了多種空間桁架理論。德國工程師虎勃（A.Fopl，1854—1924）做了許多基礎性工作，并于1892年出版了《空間桁架》一書，他曾設計建造過萊比錫一個大型商場的空間桁架屋蓋（1890年前后）。

先前，人們為了簡化桁架計算，都把結點假定為理想鉸?？墒菍嶋H的結點卻總是剛固的，桿件除受軸力外，還有少量的彎矩?？紤]彎曲應力的影響（即桁架次應力問題），屬于困難的高次超靜定問題。為解決這個問題，用去了數十年時間。1880年有人提出過非常復雜的難以實際應用的解法。1892年摩爾提出了較為精確的近似解法，在工程中得到應用。

現在的桁架研究主要是對給出的桁架計算其內力問題，更困難的也是最需要的，是如何直接設計出最佳的桁架，如在一定荷載組合及特定條件下，直接設計出重量最小、構造最簡單的經濟桁架來。這個問題在現代的“最優設計”研究中才逐步得到解決。

5.超靜定體系

我們從常識中就可以知道，在結構上多使用些材料，多用些桿子和支承件，把結點做得剛固些，總是有利的。可是這樣一來，結構就成為超靜定的了。對于古代留下的許多建筑物，即使應用今天的力學和結構知識去加以計算，也還會感到相當的困難，有時甚至于不可能。在古代，人們沒有這樣的困難，因為當時蓋房子只憑經驗和定性的估計，根本不做定量計算。

在19世紀，當超靜定結構的理論和計算方法還沒有發展到能夠應用的時期，人們在橋梁中首先使用的是靜定桁架，即把那些從靜力平衡條件看來是“多余的”聯系從結構中去掉，使之可以用靜力平衡方程比較容易地計算出結構的內力。

靜定結構圖形簡單，結點和桿件較少，用料節省。起初，那種簡單、纖細、輕巧的結構同歷來關于結構堅固性的概念相抵觸，曾使許多人感到驚訝和懷疑。

靜定結構雖有一些優點，但它們并不是最完善的。連續梁就比多跨簡支梁節省材料。用于鐵路橋梁上，連續梁能減少火車從一跨駛上另一跨時的沖擊。靜定結構不允許任何一個支座或桿件的破損，而超靜定結構一般不至于由此而引起十分嚴重的破壞。在靜定結構中，有時為了保持靜定的性質，有意設置了鉸點、可動支座以及隔斷體系的特殊接縫，凡此種種，增加了構造和施工的復雜性。再以超靜定的剛架來說，由于結點的剛性，桿件數目得以更加減少，彎矩比相應的簡支梁架減少許多。剛架體系的連續性保證了各部分的共同作用，使之成為更經濟的結構形式?？傊?，從生產的觀點看，超靜定體系有更大的經濟性和更廣泛的應用范圍。

實際上，嚴格地說一切工程結構都是超靜定的。所謂“靜定結構”，只是在設計中進行一定的簡化，并抽象成計算簡圖后才是靜定的，而實際結構物仍是超靜定的，因此按超靜定體系分析計算更符合實際狀況。

人們在靜定結構分析的基礎上努力解決超靜定體系的理論和計算問題，先是得出一個個具體問題的個別解決辦法，進而找出關于超靜定體系的普遍性理論和計算方法。

1864年，馬克斯威爾提出解超靜定問題的力法方程。1879年，意大利學者卡斯提阿諾論述了利用變形位能求結構位移和計算超靜定結構的理論。接著摩爾發展了利用虛位移原理求位移的一般理論。

采用有剛性結點的金屬框架，特別是后來的鋼筋混凝土整體框架的大量應用，促進了對剛架和其他更復雜的超靜定結構的研究。從19世紀末到20世紀初，新的計算理論（如位移法、漸近法等）陸續研究出來。

結構科學中另外一些較復雜的問題，如結構動力學、結構穩定等，到20世紀陸續有了比較成熟的結果。

從伽利略的時代算起，到19世紀末，在近三百年的時期中，經過大約十代人的持續努力，在生產實踐的基礎上進行大量的科學研究，得到的理論又回到生產實踐中去，經過無數次循環往復，人們終于掌握了一般結構的基本規律，建立了相應的計算理論。在結構工程方面，人們從長達數千年之久的宏觀經驗階段進到了科學分析的階段。

從19世紀后期開始，用越來越豐富的力學和結構知識武裝起來的工程技術人員，獲得了越來越多的主動權。科學的分析計算和實驗，把隱藏在材料和結構內的力揭示出來，人們可以預先掌握結構工作的大致情況，計算出構件截面中將會發生的應力，從而能夠在施工以前做出比較合理的經濟而可靠的工程設計。不合適的不安全的結構在設計圖紙上就被淘汰了，工程中的風險日益減少。必然性增多，偶然性減少。

過去，在幾十年、幾百年甚至上千年中，建筑結構變化很少。現在，人們掌握了結構的科學規律，就能夠大大發揮主觀能動作用，按照生產的需要，有目的地改進舊有結構，創造新型結構。在19世紀和20世紀中，新結構不斷產生，類型之豐富，發展速度之快，是以前所不能設想的。

工程結構成為科學，在這個領域中，人們獲得愈來愈大的自由。這是近代建筑事業區別于歷史上幾千年的建筑活動的一個重要標志，是建筑歷史上一次空前的偉大躍進。

3.5 房屋跨度的躍進

建筑的跨度是建筑技術發展水平的重要標志之一。公元124年建成的羅馬萬神廟，有一個用磚石和天然混凝土造出的直徑達43.43米的圓穹頂。這座建筑完整地屹立至今，令人驚嘆。到19世紀以前，在一千六百多年的長時期中，萬神廟一直是世界上跨度最大的建筑。16—17世紀，羅馬教皇在建造羅馬圣彼得大教堂時曾企圖超過萬神廟的跨度，結果僅僅趕上而已。

19世紀工業、交通的發展和城市里密集的人口，提出了增加建筑跨度的要求。而19世紀大跨度橋梁的建造為此做了技術上的準備。

19世紀的大跨度建筑主要出現在鐵路車站和博覽會展場這兩種類型中。

早期的鐵路車站往往造有一個站棚，將停站的列車、來往的旅客以及接人送貨的馬車統統覆蓋在一個屋頂之下。隨著鐵路運輸的發展，這種站棚也需要越來越大的跨度。這種做法今天看起來似乎沒有必要，但在19世紀卻幾乎是火車站建筑的常規。一方面，大概是因為早期的火車內部狹窄，旅客的行李什物放在車頂上（如同現今長途公共汽車那樣），在站上裝卸時需要有所遮蓋；另一方面，當時車站規模不大，有可能將火車和站臺都包容在一個屋頂之下。

這種站棚起先是用木屋架，19世紀中期，木架站棚單跨最大做到32米。然而木屋架在火車頭噴出的高溫煙氣下容易著火，在水蒸氣侵蝕下又易腐朽，后來就改用鐵和鋼的屋架，跨度可以更大。1849年利物浦的一個車站采用鐵桁架，跨度達到46.3米，超過了羅馬萬神廟。1868年倫敦的一個車站站棚，采用鐵的拱形桁架，跨度達到74米。1893年美國費城一個火車站的站棚跨度達到91.4米。一個比一個大。至今在歐洲和美國一些大城市里還保留著這類跨度很大的站棚，有的仍做火車站用，有的已改作他用。

車站站棚跨度的增大，一方面反映車站規模的擴大，另一方面也帶有商業競爭的因素，這在美國最為顯著。美國鐵路公司為了提高自己的聲譽，常常爭相建造“美國第一”“超過歐洲”或“世界最大”的車站。在平行建造鐵路線的公司之間，這種競賽更為突出。

站棚愈大愈長，造價愈昂貴，機車排出的煙氣更不容易從站內排出?；疖囓噹倪M以后，人們認識到，火車本身不再需要遮蓋，只要在各個站臺上分散建造小型站臺雨罩即能滿足需要，既經濟又靈活。于是19世紀建造大跨度火車站棚的浪潮到20世紀初就迅速消逝。然而這一度興盛的建筑形式確實曾經推動了大跨度建筑的發展。

時常需要大跨度空間的另一建筑類型是博覽會展場。1851年倫敦水晶宮的單個跨度并不大，最大的一跨僅21.6米。隨著結構科學的進步和工程師作用的發揮，水晶宮以后的大型博覽會的建筑跨度逐漸加大。1855年巴黎萬國工業博覽會采用半圓形拱式鐵桁架，跨度達到48米，是當時世界上跨度最大的建筑物，它一直使用到1897年才被拆除。

進入20世紀以前，人類建造的跨度最大的建筑是1889年巴黎博覽會的機器陳列館。它運用當時最先進的結構和施工技術，采用鋼制三鉸拱，跨度達到115米，堪稱跨度方面的大躍進！陳列館共有20榀這樣的鋼拱，形成寬115米、長420米，內部毫無阻擋的龐大室內空間。那些鋼制的三鉸拱本身就是龐然大物，最大截面高3.5米，寬0.75米。而這些龐然大物在與地相接之處又幾乎縮小為一點，它們好像芭蕾舞演員一樣以足尖著地，又輕盈地凌空跨越115米的距離。機器陳列館的墻和屋面大部分是玻璃，繼倫敦水晶宮之后又一次造出使人驚異的建筑內部空間。這座陳列館由康泰明（Victor Contamin，1840—1893）等三名工程師設計，建筑師都特（F.Dutert，1845—1906）配合。該陳列館于1910年被拆除。

3.6 房屋高度的躍進

人們很早就幻想著把房屋造得高些再高些，許多人想象過聳入云霄的高樓大廈，但在19世紀以前，由于建筑材料和技術的限制，也由于那時候社會生活還沒有使用非常高的房屋的實際需求，所以實際使用的房屋極少有超過五六層的。中國山西應縣木塔（1056年建成）底層直徑30.27米，高66.67米，最上一層直徑仍有19.34米，各層都能容納許多人在其中活動，是歷史上一座罕見的名副其實的木構高層建筑。歐洲中世紀石造的哥特式教堂建有很高的鐘樓，最高的要數德國烏爾姆市那一座，尖頂高161米，但除敲鐘外沒有更多用途。應縣木塔和哥特式教堂的鐘樓都是少數的例外。

進入19世紀，首先是工業生產的需要，然后是大城市社會生活的需求，促使房屋建筑的層數和高度較快地長上去。

提高建筑層數，在技術上要解決兩個問題：一個是房屋結構方面的，另一個是升降設備。

19世紀初期，七八層的紡織廠房和倉庫，采用磚墻和鐵梁柱的混合結構，提升貨物使用簡單的蒸汽推動的升降設備。首先在工業建筑中發展起來的這種結構和設備為民用建筑增加層數提供了技術準備。

19世紀后期，資本主義發達國家城市人口增加，大城市人煙稠密，房屋擁塞，用地緊張，地價大漲。而銀行、保險公司、大商店、大旅館為了商業競爭，總要爭取在城市中心最繁華也最擁擠的街道兩旁占有一席之地，那些地方的地價便特殊地高漲上去。在昂貴的地皮上蓋房子的業主，都希望在有限的土地上造出最大的建筑面積，這種經濟上的要求進一步推動人們克服技術上的障礙，把那些商業性建筑的層數不斷地增加上去。這種情形在美國新興城市中尤為明顯。

用磚石承重墻結構可以建造十多層的樓房。1891年芝加哥建成一座16層的磚外墻承重的大樓——蒙那諾克大樓（Monadnock Building，1889—1891），至今仍在使用。但是這種結構有一些缺點。一是下部墻體太厚，減少了使用面積。蒙那諾克大樓底層外墻厚達1.8米。因為按照當時通行的做法，單層磚外墻厚度為30.5厘米（12英寸），上面每增加一層，底層墻厚要增加10.2厘米（4英寸），墻厚與層數掛鉤，使樓房不可能建得過高。其次，磚石承重外墻上面開窗受結構強度要求的限制，不能太大。先前，人們并不要求很大的窗子，倫敦原來還實行過窗子稅（window tax），窗子面積愈大，繳稅愈多。1850年后廢除了這個稅法。（Early Victorian Architecture，p.405）在城市商業建筑中，人們需要大窗子。因為在狹窄的街道上的商業辦公樓中，窗子小，光線不佳，不利于使用，會降低房間的租金。窗子小，也限制房間的進深不能太大。

19世紀后期，樓房從承重墻的種種限制下解放出來。樓房內部既然可以用鐵或鋼的柱子和梁取代內墻，那么，只需進一步在房屋外圍也設置柱和梁，形成完全的框架結構，由這套框架承受各層樓板和屋面傳來的全部荷載就行了。這樣，樓房外圍便可以開大窗子，其寬度可以從左邊這根柱子直到右邊那根柱子，高度可以從地板直達天花板。在無窗的部分可砌墻，但它們不起承重作用，只是單純的圍護構件，它們自身的重量也由框架來承受。于是，房屋的高度與墻體沒有直接關系，容易向上發展?？蚣芙Y構房屋的外墻可用各種輕薄材料來做，厚度大為減少，開窗也大為自由。這種結構方式，從基本原理上說，同中國的傳統木框架結構相同，而與歐洲長期使用的磚石承重墻體系大相徑庭。所以出現全框架結構的建筑是一項有重要意義的發展。1851年倫敦水晶宮是少層的全金屬框架結構。1885年，在芝加哥建成一座10層的鐵框架建筑——家庭保險公司（Home Insurance Building，Chicago，1884—1885，建筑工程師William Le Baron Jenney）。它的柱子有的是圓形鑄鐵管柱，有的是鍛鐵拼成的方形管柱，梁是鍛鐵制的矩形截面梁。這些構件用角鐵、鐵板和螺栓聯結。大樓采用混凝土筏形基礎。家庭保險公司被認為是最早的全框架高層商業建筑。

與此同時，資本主義各國的鋼產量迅速增加。價格下跌，性能更好的鋼材逐步取代建筑中的鐵材。1885年有了輾壓法制出的工字型鋼。1889年芝加哥最早使用鉚釘連結鋼結構，質量比螺栓連結好，施工速度加快。

起初，許多人對高層金屬框架結構的可靠性不大放心。1888年，紐約第一次建造11層框架結構房屋時，遇到大風雨，人們紛紛趕去圍觀，看它是否穩固。次年在為紀念法國大革命100周年舉辦的巴黎博覽會中，出現了一座高達300米的鐵塔（Eiffel Tower），它是由法國著名工程師埃菲爾（G.Eiffel，1832—1923）負責設計的，故稱埃菲爾鐵塔。這座鐵塔有1.2萬個構件，用250萬個螺栓和鉚釘連結成為整體，共用去7000噸優質鋼鐵。鐵塔聳立至今已一百多年，它已成為巴黎的標志。鐵塔雖然不是房屋，但它的建成有力地證明了鋼鐵框架的優異性能，在19世紀末期預示著建筑向上發展的巨大可能性。

步行上下五六層的樓房使一般人感到吃力，在沒有自來水和暖氣設備的時期，把水和燃料送上樓也是不小的負擔。在沒有升降機的樓房中，房間的實用價值和租金與樓層高度成反比，高到一定程度實際上就無法使用了。升降機械的歷史也很久遠，原來是用獸力和人力驅動，只用在特殊的場合。19世紀前期，改用蒸汽動力，升降機械多用于廠房倉庫運送重物。在民用建筑中用來乘人的升降機必須穩當安全。19世紀中期許多人對升降機作了很多改進。曾經有人創制過用水的重量帶動的升降機：載人的籠子與水箱掛在滑輪的兩邊，水箱注水，籠子上升，放水則下降。還有一種利用水壓提升的升降機，辦法是在樓房底下豎埋一根水管，利用水壓使管中的活塞上下往復運動，安置在活塞桿頂上的載人箱籠隨之上上下下，這種方式所能達到的高度取決于地下埋管的深度，很受限制，但人們心理上覺得這是安全的辦法，因為它有底。水力升降機曾短時間流行過。美國人奧的斯（E.G.Otis）原來開一家小工廠生產鐵床，他對蒸汽驅動的貨運升降機加以改進，裝上保險設施，吊索一旦斷裂，升降機立即自動卡住，不致一墜到底。1853年他在紐約“水晶宮”博覽會（追隨倫敦水晶宮而取名）展出他的機械，并當眾割斷吊索證明其安全性能。奧的斯公司遂成為著名的升降機公司。應用電力以后出現了電梯。1893年芝加哥世界博覽會上展出了最早的商品化的電梯。以后不斷改進，無齒導軌取代有齒導軌，電梯速度越來越快。加上給水、排水、供暖、照明和通訊等設備的相應改善，大城市中樓房層數得以迅速增加。1891年芝加哥出現22層的大樓，1898年紐約建成26層的高樓。它們是20世紀摩天樓——超高層建筑的先聲。

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[1] 括號里的數據是1851年的實測數據，下同。英尺不是法定計量單位（1英尺=0.3048米），現已廢止。