从摩天大楼到跨海大桥：工程力学在建筑中的应用

从摩天大楼到跨海大桥：工程力学在建筑中的应用

工程力学是现代建筑设计和施工的基础，它涉及到静力学、材料力学和结构力学等多个方面。从摩天大楼到桥梁隧道，每一个伟大的工程项目背后都有工程力学的身影。本文将带你深入了解工程力学的基本原理，探讨它是如何支撑起我们日常生活中不可或缺的基础设施的。通过学习工程力学，不仅能提高我们的工程设计能力，还能让我们更加欣赏那些看似平凡却又充满智慧的建筑奇迹。

工程力学是力学与现代工程技术交叉融合的学科，专注于解决机械、土木、航空等领域的复杂问题。它既注重理论研究，也强调实际应用，通过实验和数值计算方法分析并优化工程中的力学问题。

• 静力学：研究物体受力平衡规律，为结构设计提供基础。
• 材料力学：探讨构件在外力作用下的变形与破坏准则，确保设计的安全性和经济性。
• 动力学：分析物体运动规律及其与力的关系，应用于机械振动等领域。

中国古代建筑匠师很早即开始木结构建筑高度技术的研究实践，主要体现在增加建筑结构刚度原理的理解和技术措施运用。如井干式建筑，在早期高层建筑建造中得到大量应用。井干式建筑是一种古老的结构形式，商代时即有井干结构墓葬。在汉朝出现了井干楼，张衡《西京赋》有“井干叠而百层”；《汉书•郊祀志》中记载“立神明台井干楼五十丈，辇道相属”等。井干式建筑实际属于木墙体承重结构，是将圆木或半圆木两端开凹槽，组合成平面为矩形的木框，层层相叠作为墙壁而成。井干式建筑耗材大，空间布局受限，应用不十分广泛，但其在我国古建筑技术发展中有着重要的意义，是实现高度技术的实践基础，体现了我国建筑匠师木结构建筑高度原理的认识水平。古人认识到，井干式建筑层层相叠、交叉闭合的木墙壁，具有较好的结构刚度，在水平荷载作用下起到整体抗侧力作用，具有抗水平推力强的特点，是高层建筑建造的关键因素。汉魏以降古代建造高屋楼阁，均基于增加结构侧向刚度和抗水平推力等井干式建筑的结构原理。

井干式结构原理的另一应用是层叠朽木。该结构是在纵横两个方向，穿插截面较小的密集横梁或横架，形成层叠的析木层。研究汉代遗留的石阙、画像砖中的建筑形态发现，当时的阙、塔结构中普遍存在这样的结构层（图1），实物如高颐阙、冯焕阙等留存，层叠柜的结构作用有二：一是起到兼具现代建筑中的钢筋混凝土楼板和圈梁的结构作用，目的是每隔一定高度设置刚度构件，加强高层结构整体稳定性和抗震性能，同时圆像砖可见，汉阙建筑的每层层整柜之间有斜撑联系，斜撑起到了增加建筑侧向刚度的作用，斜撑和层叠柜的配合作用，大大增加了高层建筑的稳定性；二是起到现代建筑结构转换层的作用。现代建筑中为实现上、下两部分不同结构体系的受力转换，或者实现上下承重构件的移位等，常需要使用结构转换层，具体常采用梁式、桁架式、箱形和板式转换层等。古人层叠析做法通过横竖交叉叠加而成的层叠桁木，可以进行上下层柱子移位和转换，实现灵活的布局，是一种十分先进的结构技术。大同云冈石窟21窟石雕塔柱中可以看到，上层柱采取叉立于层叠朽木层之上，生动反映了此种做法。

由于建筑技术的发展和建筑功能的变化，层叠枋在后期建筑中逐渐不存在，但遵循其功能原理层叠枋逐渐演变成为建筑其他形式，并有研究表明斗拱铺作与之联系等。

在科技飞速发展的当下，智能建造工程以其高度的自动化、智能化和数字化特性，正逐渐成为建筑行业的领军力量。然而，在这背后，有一个不可或缺、至关重要的支撑——力学理论。正是力学理论的深厚底蕴，为智能建造工程提供了稳固的基石，使其在保障结构安全、提升施工效率的同时，不断创新与突破。

在智能建造工程的设计阶段，力学理论如同设计师手中的指南针，指明了方向。结构力学、材料力学等力学分支的知识被广泛应用，通过精确的计算和模拟，工程师们能够预测建筑结构在不同工况下的受力情况，确保设计的合理性、安全性和经济性。力学理论为工程师们提供了设计的理论基础，提供优化的依据，帮助他们在满足使用要求的前提下，实现材料的最优配置和结构的轻量化设计。

当设计蓝图转化为实际建筑时，力学理论同样发挥着重要作用。施工力学的研究为施工过程中的结构变形、内力变化等问题提供了解决方案。工程师们根据力学原理，制定出合理的施工方案和工艺，有效减小施工过程中的结构变形和内力变化，保证结构的稳定性和安全性。力学原理指导了施工机械的选择和使用，提高了施工效率和安全性，使智能建造工程更加精准、高效。

智能建造工程在建成后，仍需要长期的监控与检测以确保结构的安全。在这一环节中，力学理论同样发挥着关键作用。通过运用力学原理设计的监测方案和传感器布置，实时监测建筑结构的变形、应力和裂缝等参数。这些数据为结构的健康评估提供了重要依据，为施工过程中的质量控制和风险评估提供了支持。力学理论帮助工程师们分析结构在长期使用过程中的性能变化，为结构的维护和修缮提供了科学依据。

随着智能建造技术的不断发展，力学理论与智能建造技术的融合也越来越紧密。计算力学、仿真技术等先进技术的应用，使得力学分析更加精确、高效。这些技术提高了力学分析的准确性，加快了分析速度，为智能建造工程提供了有力的技术支持。力学理论为智能建造技术的创新提供了理论支持，推动了智能建造技术的进步和发展。

展望未来，随着智能建造技术的不断发展和应用场景的不断拓展，力学理论将继续为智能建造工程的发展提供坚实支撑和强大动力。有理由相信，在力学理论的指导下，智能建造工程将不断突破创新，为人类创造更加安全、高效、环保的建筑环境。

以著名的上海中心大厦为例，这座632米高的摩天大楼在设计和施工过程中充分体现了工程力学的应用。大厦采用了双层幕墙系统，外幕墙呈螺旋上升的形态，不仅美观，还能有效减少风荷载。结构工程师通过精确的力学计算，设计了巨型框架核心筒结构，确保了建筑的稳定性和安全性。此外，大厦还采用了先进的减震技术，如调谐质量阻尼器，以应对地震和强风的影响。

另一个例子是港珠澳大桥，这座世界上最长的跨海大桥在设计和施工中也充分运用了工程力学原理。大桥采用了先进的桥梁结构设计，包括斜拉桥、悬索桥等多种结构形式，以适应复杂的海洋环境。工程师们通过精确的力学分析，解决了大桥在极端天气条件下的稳定性和耐久性问题。此外，大桥的沉管隧道部分采用了创新的沉管安装技术，确保了海底隧道的精确对接和结构安全。

工程力学在现代建筑中的应用远不止于此。从高层建筑的抗震设计到大型体育场馆的结构优化，从桥梁隧道的稳定性分析到地下空间的合理利用，工程力学都发挥着至关重要的作用。随着科技的不断进步，工程力学与智能建造技术的融合将为建筑行业带来更多的创新和突破，为人类创造更加安全、高效、环保的建筑环境。