从埃菲尔铁塔看结构艺术的表现
提 要 从埃菲尔铁塔外观形式的角度对埃菲尔铁塔的设计进行了详细的介绍,并进一步从力学和结构的角度分析了铁塔的设计思想。在此基础上,将结构艺术的思想引入桥梁、塔架等大型结构工程,认为形式的设计是为了控制应力而非创造空间,另外,仅仅显示出结构与表现结构并不是一回事,结构的表现应当清楚地展现荷载的传递与构件的连接。优秀的设计应该将力学与美学结合起来,在结构艺术的层次上力求创新,达到力与美完美结合的境界。
关键词 埃菲尔铁塔,结构艺术
Stru ctu ral A rt of Eiffel T ow er
Abstract Based on the investigation of the shape,the design concept of Eiffel T ower is discussed from the view of structure and mechanics.For the design of large2scale structures such as high2rise towers and long2span bridges,the form is designed not for creating space but for controlling stress with the concept of structural art.Meanwhile,to express a structure is not jut to expose it.A structure should indicate the transmission of loads and the connections of components clearly.Perfect designs should create original innovation on the level of structural art,aiming at perfect combination of mechanics and aesthetics.
K eyw ords Eiffel T ower,structural art
1引 子
诞生于1889年巴黎世界博览会的埃菲尔铁塔占地一公顷,耸立在巴黎市区赛纳河畔的战神广场上,目前包括天线等附加设施在内的建筑总高度为324m。埃菲尔铁塔塔身分四层,最下面形成东南西北四座大拱门,其上设有3层平台,游客可以在此小憩赏景。第四层是气象台,顶部架有电视天线。游客可拾1710级阶梯而上,也可乘电梯到达顶层。这座1889年巴黎世博会主题建筑,誉满全球也曾经谤满世界。在它刚落成的日子里,优雅的法国人实在不屑这位”世界第一高度”的粗野。但无论如何,充满魅力的埃菲尔铁塔顺理成章地成为法国巴黎的象征和传世经典。作为19世纪世界上最伟大的土木工程之一,埃菲尔铁塔以其外在美和内在美的统一,并且和布鲁克林桥一起开始了结构工程的新时期。2埃菲尔铁塔的结构形式
211设计介绍
埃菲尔铁塔的结构体系既直观又简洁:底部是分布在每边128m长底座上的4个巨型倾斜柱墩,倾角54°,由57.63m高度处的第一层平台联系支承;第一层平台和115.73m高度处的第二层平台之间是4个微曲的立柱;再向上4个立柱转化为几乎垂直的、刚度很大的方尖塔,其间在276.13m高度处设有第三层平台;在300.65m高度处是塔顶平台,布置有电视天线。铁塔总重10000t,承担这些重量的是4个坚固的直伸至下卧持力土层的沉箱基础。
在1884年6月的时候,埃菲尔设计事务所的两位主要工程师Emile Nouguier和Maurice K
oechlin
就有了设计一座超高塔的思想。初步的设计像一个巨大的塔架,有四个由格构梁架构成的支腿,分立支撑在基础上并在塔顶收在一起,其间布置等间距横梁联系。
为了更加合意公众的评价,Nouguier 和K oech 2lin 邀请建筑师Stephen Sauvestre 对结构的表现形
式作进一步处理。Sauvestre 提议用石砌台座整饰塔脚,用具有纪念性的拱结构连接四个塔柱与第一
层平台,每层平台设大型玻璃墙大厅,顶部采用球
状造型等装饰手法来亮化结构。在其后的设计中工程师们进行了进一步的完善,像巨型拱之类的一些设计思想得到保留,并给铁塔以极富性格的表现。另外,横梁的设置得到简化并与塔柱优化以后的线形相协调,使铁塔结构受力更加简捷,形式更加优美,
高扬的动势更加强烈。
图1 埃菲尔铁塔的初步设想图与最终完成图
第一平台底部4个连接倾斜柱墩的大拱起初
是为装饰用的,有人认为这4个拱破坏了塔结构的直线性、简洁性和“诚实”性,也损害了塔身的美观,但事实上这个“伪拱”已被公认为塔身外形的一个基本组成部分。如果说是横梁将四个塔柱简单联系在一起,那么,巨型拱的设置则把塔柱统一到铁塔这一整体中来。而且装饰拱的曲线线形与塔柱的曲线线形也很协调。从图上也可以看出,连接下
部斜塔柱与水平横梁的装饰拱也具有一定的结构功能,虽然拱不承担塔柱向下传递的竖向荷载,但却使塔柱与横梁的连接加强,并使水平荷载作用下横梁与斜塔柱间的力流更加顺畅。从铁塔的初步设想图中可以看出,下横梁和塔柱的联结也表现出接头处曲线过渡的想法,只是在建筑师的建议下,通过不断的优化,使结构表现的更加充分,整体形
式更加统一。
图2 埃菲尔铁塔大拱门的细部构造
212埃菲尔铁塔与美国华盛顿纪念碑、日本东京
塔的比较
和1884年的华盛顿纪念碑不同,埃菲尔铁塔
可以说是一个很轻的结构。如果把埃菲尔铁塔看
作是一个实体结构的话,那么,它的等价密度只有周围空气密度的7～8倍。而华盛顿纪念碑是一座
大理石方尖碑,高169m ,竖向荷载占绝对优势,侧向风荷载的作用相对小得多。纪念碑的主体轮廓以近似竖直的线条为主,恰当地反映了自身重力占绝对优势的特点,同时在透视角度下亦不失视觉稳定。对于埃菲尔铁塔来说情况就不同了,侧向风荷载成为不得不考虑的重要设计因素,以曲线形式展宽并与基础相连的四个塔柱从视觉也上反映了风荷载的影响。另外,埃菲尔铁塔塔底至第二层平台之间的塔柱内装有斜电梯,第二层平台至塔顶则设有直升电梯,楼梯和电梯依照主体结构的线形整合
到结构总体中,没有生硬附加的感觉。相比较而言,日本的东京塔由于塔下突出的博物馆建筑、博物馆直通塔顶的竖向电梯、塔体周围众多的电台天线以及红白相间的安全色使塔的整体性受到严重破坏。另外一方面,虽然东京塔与埃菲尔铁塔外形轮廓很相似,但东京塔以网架的形式代替了埃菲尔铁塔强大的格构柱,就力感的表现而言,由于网架的视觉虚化和中心柱的单薄,东京塔不如埃菲尔铁
塔突出。
图3 华盛顿纪念碑、东京塔和埃菲尔铁塔
213从单元造型法的角度看埃菲尔铁塔的构成
在基本造型元素的基础上,经过简单的加工
(包括加法构成和减法构成)就形成了造型单元,类似于结构基本构件的概念。在结构造型设计中,以造型单元为基本构件进行组合从而产生结构整体形态的方法就是单元造型法。造型单元的选取应当符合结构的要求,并尽量与结构的基本构件相统一。基本的造型单元不宜过多,否则会导致视觉上的混乱。确定了几类基本的造型单元,结构的各个组成构件就可以将这些基本造型单元作为模板,按具体的结构要求进行尺度、比例的变化,并最终构成结构整体。
埃菲尔铁塔的整个塔体结构高耸伟岸,上窄下宽,给人以平衡稳定的美感。大到整个塔体、小至每一个部件在三维坐标系中均呈对称性。从单元造型法的观点出发,埃菲尔铁塔的基本造型单元有两类:抛物线形立柱和水平横梁,而这两者又都是由基本桁架元构成。基本桁架元有3种,依次为“□、□、□”。按单元造型法理解,塔体众多的杆件按照构图规律进行有序的排列与组合,使众多形成了统一。同时三种桁架元的使用顺序也是由下至上,逐渐简化、轻巧,合理的分配了结构构件的刚度
和强度并与实际结构中内力的分布相一致。
图4 埃尔菲铁塔的桁架元
塔柱不仅具有高扬的精神动势而且还要具备
抵抗强大竖向重力荷载和水平风荷载的力感。结合力学原理与数学计算的结果,塔柱具有上陡下缓的曲线构形。以水平直线为主的横梁的作用是加强塔柱的联系,同时其上设置平台以提供人们的活动空间。在下横梁处,塔柱已经张得很开,因而横梁的跨度也相应增大,其作为联系的功能相对减弱而跨越的效果有所体现。为了进一步加强塔柱和
