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中华学生百科全书-第358部分
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这种现象在科学上称为“压杆失稳”。
压杆失稳在建筑上产生过很多严重事故：
1907 年加拿大魁北克的圣劳伦斯河上的钢桥，当时正在架设中间跨桥梁
时，由于悬臂钢桁架中个别受压杆失去稳定产生屈曲，造成全桥坍塌；1925
年，前苏联的莫兹尔桥在试车时，也是受压杆件失稳而破坏；1940 年，美国
的塔科马桥，刚完工 4 个月，在一场大风中，由于侧向刚度不足而失去稳定，
使整个桥梁扭转摆动而破坏；美国东部康涅狄格州哈特福市中心体育馆，能
容纳 12500 人的大跨度网架结构，于 1971 年施工，1975 年建成，在 1978 年
的一场暴风雪中倒塌，事故的原因也是个别压杆失稳。
面对着自然界中的狂风暴雨，青竹节节上升，自然优化，适者生存，合
理受力，给人们带来了众多的启示。
仿蛋建筑
鸡蛋能承受多大的力？
人们有时会打赌——谁能用一只手把鸡蛋捏碎？血气方刚的小伙子急着
上阵，但总是一个个败下阵来。人们不得不承认，鸡蛋能承受很大的力。
鸡蛋受力，原来为业余科学家所青睐。
英国消防队员为了试验鸡蛋的受力，把一辆救火用的消防车停在草地
上，伸直救火梯子，消防队员从离地 21 米高的救火梯顶端向草地扔下 10 个
鸡蛋，出乎意料的是只破了 3 个。
英国皇家空军飞行员也对鸡蛋能承受多大的力产生了兴趣，他们把直升
飞机停在离草地 46 米高的空中，向草地扔下 18 个鸡蛋，结果也只破了 3 个。
英国《每日快报》的工作人员，干脆租了一架军用飞机，以每小时 241 公里
的速度向飞机场俯冲，在俯冲中投下 60 个鸡蛋，结果破了 24 个。
以上是用鸡蛋所做的动力冲击试验。在静力作用下，鸡蛋可以承受更大
的力。
记得有一年中央电视台春节联欢会上，有一女孩表演踩蛋，女孩两手各
提一桶水，双脚踩在 4 个鸡蛋上，鸡蛋安然无恙。
1989 年，日本爱知县的春日井市先生，在汽车前轮各用 34 个鸡蛋，后
轮各用 52 个鸡蛋，总共只用 172 个鸡蛋支承起了一辆大卡车。
根据国外资料介绍，当鸡蛋均匀受力时，可以承受 34．1 千克的力呢！
鸟类的蛋具有如此大的承受力，是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分
不开的。蛋的结构有三层，外层为表皮层，又称闪光层，中层为海绵层，内
层为乳头层，不同的鸟类具有不同的三层显微结构。
蛋壳中，主要成分是碳酸钙，约占 89％～97％，另有少量的盐类和有机
物。
应该说，真正的蛋壳成分仍然是一个谜，还需人们进一步探索。在蛋壳
的成分中，只要加入或减少某一成分都会影响蛋壳的强度，而且各种成分的
比例更是至关重要的。根据国外资料，在美国已经发现有 20 多种鸟类的蛋由
于受农药的影响，而变薄变脆、降低了强度。
奇妙的鸡蛋为我们展现了以最少的材料造出最大的空间，并承受很大的
力的大自然的杰作。一个鸡蛋长为 4 厘米，而蛋壳厚度只有 0．38 毫米，厚度
与长度之比为 1∶130，以其特有的蛋形曲线塑造了它的外形。
具有曲线的外形，厚度又很薄，主要承受压力的结构在建筑上叫薄壳结
构。在“山光物态弄春晖”的自然界中，像鸡蛋那样的薄壳结构是如此的丰
富多彩而变化万千，有禽蛋、贝壳、蚌、螺、蜗牛、蟹、鱼子、眼球、头颅、
豆荚、种子、果核等等，它们以最合理、最自然、最经济、最有效、最进步、
最优美的形式竞相媲美，争放异彩。
要造出像鸡蛋那样的建筑确实不简单呀！人类在蛋形建筑史上经历过相
当艰辛的过程。在文艺复兴时期建造的意大利佛罗伦萨主教堂，其跨度达到
42．2 米，主高度接近 91 米，当时的传记作家和建筑师瓦萨里热情地歌颂它
与四周的山峰一样高，连老天爷看了也嫉妒。但它的厚度却只在 61～78．6
厘米之间，厚度与跨度之比为 1∶60，它并不是薄壳结构而是厚壳结构，而
且它仅是由八瓣组合成的并非球形的建筑。在文艺复兴末期，意大利罗马建
成了圣彼得大教堂，圆圆的球形建筑，像竖放的鸡蛋，圆顶直径 41．9 米，内
部高 123．4 米，但厚度竟达 1～3 米，厚度与跨度之比为 1∶40。直到 1924
年，德国的蔡斯工厂天文馆才建成第一个半圆球形的薄壳结构。1925 年德国
耶拿斯切夫玻璃厂厂房采用了球形薄壳，直径为 40 米，壳厚只有 60 毫米，
采用钢筋混凝土为建筑材料，厚度与跨度之比为 1∶667。
现在，像鸡蛋那样的仿蛋建筑已经很普遍了。美国通用汽车公司技术中
心水塔，法国吐鲁士电子加速器实验站，我国新疆某机械厂的金工车间里像
水珠似的储罐，它们都是绝好的仿蛋建筑。
绝美的黄金分割
1509 年，意大利威尼斯人卢卡·帕契奥里在《上帝规定的比例》一书中，
阐明了1。618与1的比值（即 =1。618），他的好友达·芬奇是当时文艺复
兴的巨人，是一位物理学家、生物学家、地质学家、生理学家、力学家、工
程师、机械师、军事家、画家、雕塑家、歌唱家，被誉为集科学与艺术于一
身的人物，他对“上帝规定的比例”爱用另一个名称，即黄金分割，又称黄
金律。黄金律被认为在构图中是最和谐、最完美的表现，是“神圣的比例”。
德国杰出天文学家开普勒说：“几何学中有两件珍宝：一是勾股定理，二是
中外比。如果第一件是黄金，那第二件就是宝石。”（黄金分割又称中外比。）
15 世纪，意大利数学家帕契奥里为黄金分割列出了一大堆优点，他写
道：“黄金分割对我们的作用是：一、实质性的，二、特殊的，三、无法表
达的，四、无法解释的，五、……最后，十七、是宝贵的。”
公元前300年，古希腊几何学之父欧几里德在几何学上首先提出 =
1．618 值，他在《几柯原本》第五卷中说：“所谓量中第一与第二之比等于
第三与第四之比，是指第一与第三的任何等倍数同第二与第四的任何等倍数
有如下关系：前者的等倍数必相同地大于、相同地等于，或相同地小于相应
所取的后者的等倍数。”这个比例法为值的导出奠定了基础。
古希腊在公元前 447 年至前 431 年，建成了举世闻名的雅典帕提农神庙，
柱高与柱顶至屋顶距离之比也是 =1。618。
文艺复兴时期的“上帝的比例”，事实上是由我国经印度、阿拉伯传入
欧洲的，印度传给阿拉伯之前称为“三率法”，它在我国古算术书上均有记
载，《九章算术》“粟米”章一开始，就列举了各种米的出米率：“粟米之
法：粟率五十，粝米三十，稗米二十七……”即 5 斗谷去皮，可得糙米 3 斗，
又可臼得稗米 2 斗 7 升等等。类似的问题在《九章算术》“衰分”、“均输”、
“勾股”诸章及其他古算书中均有记载，这些内容就是正比例、反比例、复
比和比例分配等，由于这类问题都以“今有”二字起首，在我国古算书中统
称为“今有术”。
一般认为，黄金分割来源于自然界，如鹦鹉螺的螺曲线，其构成与 1．618
相关。在人的身上，广泛存在着黄金分割的比例关系，成年人的腰部是人体
的黄金分割点。近代建筑大师勒·柯布西埃根据对人体的分析，创立了以黄
金分割为依据的人体模度图。
根据勒·柯布西埃分析，高举左手，头顶至腰的距离与手指尖至头顶的
距离之比正好是1。618与1的比值，即 =1。618，由腰至足底的距离与头顶
至腰的距离之比也是 1．618，对于人的脸来说，其高度与宽度之比以及两眼
间的间距与嘴的大小之比都是 1．618，在人体中，到处都充满着 1．618。正如
文艺复兴时期的数学家巴奇奥里所说那样：“……所有的度量和它们的名称
都来自人体，而且在人体中可以找到上帝揭示自然最深邃的奥秘的全部的比
和比例。”在古希腊，人们认为人体是最美的东西，毕达哥拉斯认为：“人
体的美由和谐的数的原则统治着一切。”当时雕塑家费地也说：“没有比人
类形体更完善的，因此我们把人的形体赋予我们的神灵”。
人体是美的数的集合体，建筑要美，当然会自然地模仿人体的各种数及
数量之间的比例关系。在建筑上有两种有名的柱子式样，古希腊人以男人的
脚掌长度是身高的 1／6 应用到柱的高度与直径的比值上，创立了多立克柱，
以女人的脚掌长度与身高的关系应用在柱子上，创立了爱奥尼柱。多立克柱
比例粗壮，刚劲有力，恰如“塞外秋风骏马”，显出阳刚之气；爱奥尼柱比
例轻快，秀美华丽，恰如“杏花春雨江南”，亭亭玉立如少女临风。柱式的
创立，大大地推动了建筑艺术的发展。
古罗马建筑权威维特鲁威说：“建筑物必须按照人体各部分的式样制定
严格的比例。”只有这样，建筑才会越来越美。
从古希腊人崇尚五角星，创立雅典帕提农神庙及柱式，到费地的雕塑品
及伊特拉斯坎人的陶器，黄金分割一直为人们广为应用。达·芬奇应用黄金
分割画出了世界名画《最后的晚餐》。意大利著名小提琴制造专家斯特拉迪
瓦里精通黄金分割，制作了近千把音质优美的小提琴。数学家华罗庚将黄金
分割应用于优选法，可以合理地安排实验和试验，以较少的试验次数找到合
理的配方和合适的工艺条件。建筑师勒·柯布西埃以人体模度图，在长短、
面积、体积等方面设计出一种比格，推动了建筑的标准化、工业化。
黄金分割在人脑中是怎样形成的呢？
根据国外资料，人脑具有精神意识、思维活动等功能，人脑中形成许多
中子网格互相联系起来的结构，中子依靠电信号相互作用，中子的网格、网
络的外形就是振荡电路；人脑在活动中不仅有固定的电振荡频带，而且人脑
电振荡的摆幅和频率也不断地变化。
在人脑中β、、γ（希腊字母）等脑电波中，β波占主要地位，β波
的低频带频率（在电磁波中低波长范围内每秒振动的次数）为 8．13 赫兹（频
率的单位），高频带的频率为 12．87 赫兹，高、低频率带频率之和为 21 赫兹，
而高、低频率带频率之和与高频带频率之比正好为 =1。618，高频带频率
与低频带频率之比也正好为 =1。618。
人脑中形成黄金分割的奥秘终于揭开，可见黄金分割并非简单模仿自然
界中呈现出来的现象，而包含着更深的哲理。自然界中有许多形形色色的
“谜”，而这许多“谜”，正是大自然送给人类的绝妙的产品。
蜘蛛织网与建筑工程
蜘蛛织网，一般利用三点，如墙角、挑出的树梢、石头尖处等，先由三
点连成三角形组成网的边，并由一根特殊的丝通过未来的网中心，然后由边
向网中心拉辐线，到网中心后在相邻的地点向边拉辐线，这样来回拉了几条
辐线后，却跑到相对的那一边去拉辐线，很明显，它正利用静力学以维持网
的平衡。
拉好了所有的辐线，蜘蛛由网中心以螺旋线向外盘旋拉丝线。蜘蛛到了
最外圈后，沿着原路返回，返回时不时地抓起原有的网线聚成小球，固结在
与辐线相交的点上形成很多的小点，在沿着原路返回过程中拉的丝线才是真
正的蜘蛛网线。由外向里盘旋的螺旋线越来越密，形成数学上的对数螺旋线，
这样，曲线由外向里虽然密度增加，但在理论上永远到不了中心点。
建造一所房子，一般有四个步骤：打基础，安置骨架，搭脚手架，拆脚
手架。这与蜘蛛结网真是有异曲同工之妙。蜘蛛以三个固定的点形成三边的
三角形，这与造房子打基础对应。蜘蛛在三角形的三边拉辐线如造房子的安
置骨架。蜘蛛由里向外拉螺旋丝线只是为结真正的蜘蛛网做准备，正如造房
子搭脚手架，只是为了施工时临时之用。蜘蛛由外向里拉螺旋丝线，并随时
把原有丝线去掉固结在网点形成小点，正如造房子时，房子建成后拆去脚手
架那样。蜘蛛真是一个聪明的动物，蜘蛛结网与人类建筑施工是何等的相似
啊！
所有的柔性材料如藤、绳、索都具有极强的抗拉特性，由柔性材料组成
的建筑结构称为悬索结构，它具有跨越大跨度的能力，而且特别节省材料。
蜘蛛网就是自然界中的悬索结构。蜘蛛网能承受很大的力，有的蜘蛛网
上放上一个啤酒瓶也不会掉下地，古代还有人用它捕鱼、捉鸟呢！
我国是最早应用悬索结构的国家，我国利用竹索造的桥在《前汉书》中
已有记载。北宋时期，四川灌县安澜竹索桥横跨岷江之上，长达 344 米，共
分 8 跨，最大一跨为 65．6 米，用 10 根 16．5 厘米直径的竹索组成。我国云南
景东附近兰津桥，建于公元 58～75 年，用铁链造成，横跨澜沧江，跨度达到
82 米，而西方最早出现的悬索桥是公元 1515 年，比我国落后 1000 多年哩！
悬索结构广泛应用于体育建筑。美国的阿拉美达体育馆，就是一张像蜘
蛛网那样的圆形的钢索网，直径为 128 米，外环设置了 32 根钢筋混凝土支柱，
内环直径为 13．8米，内、外环设置了96根钢绞线的辐线，体育馆可容纳15000
多人观看体育表演。北京工人体育馆的双层辐射式悬索结构，外形似平放的
自行车的车轮，有上、下两张网，两张网之间有杆件相联，人类创造的“网”
到底比蜘蛛网要高明，由蜘蛛的一张网变成两张网，承载能力也比一张网要
大得多。
悬索结构，目前有单层的、双层的，有圆形平面的、椭圆形平面的、长
方形的、六边形的，有马鞍形的、双曲面形的、抛物线形的，真是五花八门，
千姿百态。
人们在建筑时，总是自觉地追求美，按照美的规律来建造，随着社会生
产力的发展和人类智能水平的提高，对美的追求和创造更丰富、更凝炼、更
富有哲理、更强调美的综合效果，在认识自然、改善自然中，科学、技术和
艺术的综合的趋势已经形成，正如加拿大学者米克教授指出：“现在，有了
一种新的创造精神，开始重建一个包括艺术、科学和技术都在内的完整而统
一的世界。”在这一方面，美籍华人林同炎成功地设计了一座曲线斜拉桥，
它如众多的“蜘蛛丝”拉着一片细长的树叶一样，构思之独特、工程之巧妙、
造型之优美受到全世界工程技术人员的好评，获得了全国第 26 届优秀建筑比
赛一等奖，被誉为“结构工程与美的理想相结合”的典范。
林同炎设计的曲线斜拉桥位于美国加利福尼亚州的一条狭谷河流上，两
岸山高陡峭，谷深流急，若是采用一般直线形桥，则两岸引桥要挖去大量山
崖，假如采用抬高桥面的方案，虽然避免开挖山崖，但引桥很长，两者都会
使工程造价昂贵。而林同炎先生设计的曲线形桥，很自然地与两岸线路联接，
达到桥与路的有机结合，正如长虹卧波，复道行空，天堑变通途。这桥另一
个特点是采用很多斜拉的索，直接固结于两岸山崖上，一根根斜拉索交叉网
胜似蜘蛛网，奏出一曲美妙的“蜘蛛网”畅想曲。
奇异的螺旋形建筑
你知道江河湖海里有多少螺吗？它们有滇螺、骆驼螺、天狗螺、万宝螺、
马蹄螺、笔螺、凤凰螺……真是数不胜数。
你知道哪里有螺旋线吗？自然界中到处都有螺旋线：所有有回旋形贝壳
的软体运动——螺，都有螺旋线；蜘蛛以螺旋形结网；牛角按螺旋形生长；
向日葵的花子按螺旋形排列；人的内耳耳轮也是螺旋形的。
螺旋形往往是建筑造型的母体，而螺的外形也是建筑师构思的素材。海
滩上各种各样的海螺、贝壳，在波涛汹涌的大海中为生存而搏击，自然的优
化形成了它们优美的螺旋线。当前，“回归自然，崇尚自然”已成热门话题，
所以，一批直接模仿螺的外形的建筑也应运而生了。
我国北国海滨旅游胜地北戴河，有一座可以登高观海的“碧螺塔”，塔
的上部三层模仿海螺壳的十二瓣螺旋，形成层层起翘的挑檐，在海滩的“碧
螺塔”上观看碧螺的家，不是更具有诗情画意吗？我国东南大学齐康教授设
计的福建省长乐度假村小岛上的海蚌塔和大厅，虽然并非直接模仿海蚌，但
却体现出艺术的“神似”，内涵之中蕴藏着海蚌、海螺的螺旋美。印度尼西
亚雅加达泰曼公园有一座金蜗牛电影院，其外形像一只蜗牛，在“蜗牛壳”
中看电影情趣盎然。
世界建筑大师赖特设计的美国古根海姆博物馆，它是倒置的圆锥螺旋线
的外形，参观的人流由中央电梯直送至顶层，然后让他们由螺旋形的楼梯到
各层参观，博物馆由上至下层层缩进，造成既连续又有变化的空间；参观过
程中，博物馆建筑的本身就使参观者产生动态的韵律感。新加坡圣淘沙海上
旅馆高 15 层，采用涡旋螺线的海螺形，整个旅馆像一个雕塑品，而且具有动
态感，真是美极了。
1920 年，前苏联建筑师塔特林曾设计了“第三国际纪念塔”，采用螺旋
形，曾轰动一时。80 年代，美国建筑师海蒙特设计了“太平洋之塔”，高达
548．6 米。高塔由螺旋形结构和中央桅杆组成，像一棵大树爬满了螺旋形上
升的藤，象征着太平洋沿岸国家欣欣向荣、蒸蒸日上的气象。“太平洋之塔”
是作为卫星通讯的地面接收站，意味着太平洋沿岸各国信息的交流、文化的
交流。
随着高层建筑的崛起，在高层建筑中采用螺旋形也日益增多。在 1968～
1972 年，意大利建筑师尼柯莱特和马斯曼塞设计了由三个涡旋螺丝组成的涡
形螺旋摩天大楼，高达 540 米，其核心是由三个桅杆组成的筒状体，具有力
度感和时代感，美学造型精美绝伦。
螺旋线，奇妙的曲线，优美的曲线，“生命的曲线”。它像对数螺旋线
那样，盘旋扩大而上升至远方、更远方，以至无穷，向下盘旋而缩小，又无
法找出其出发点。自然界的一切，都像螺旋线那样的美；自然界的一切，都
像螺旋线那样呈现出无限宽广的图景。
“泡泡大楼”
气泡，在自然界里是很多的。蓝蜻蜒的翅膀由很细的薄膜肋构成，肋之
间就是一张极薄而柔软的薄膜，那是不封闭的“气泡”，叫做不封闭的充气
结构，类似的还有蝙蝠的翅膀。像青蛙的囊袋的“气泡”，叫做封闭的充气
结构，其他还有，如鱼肚中的“气泡”，动物身上贮存尿的囊袋等。现在，
封闭的充气结构在建筑上已广为应用。
充气的封闭薄膜有一个很好的受力性能，那就是各处的表面张力都相
同，由于用材少、重量轻，因而是一种很好的建筑结构。
最早设想把充气结构用来建造房屋的是英国工程师兰切斯特，他在 1918
年取得了关于此事的一项专利，并设计了直径为 650 米的充气结构，但遗憾
的是他过早地离开了人世，没有使理想成为现实。
1970 年日本大阪世界博览会上，博览会的游乐场采用在一根立柱上的充
气结构，在立柱顶端有向四周布置的缆索挂着四周布置的一个个充气结构，
充气结构的另一端支承在离顶端不远的立柱环上，当缆索收紧时，蘑茹状的
充气结构就收拢，撑开时就像一个大圆盘，其最大直径可达 35 米，博览会上
这种红黄相间、向不同角度撑开的一个个“蘑菇”，为游乐场增添了节日的
欢乐。
充气结构还可以用来作水坝。由英伯逊设计的水坝在 1957 年建成，水坝
高 1．5 米，长 40 米，充气薄膜用螺栓固定在水下的混凝土基础上，可以充气、
放气以调整水坝的高度。目前，充气水坝已经发展到高可 4 米，长可达 600
米。假如给充气水坝定期地涂以海普隆（高级涂料），寿命可达 20 年以上。
充气水坝造价便宜，比一般水坝可节省 75％的造价，而且施工简单。
充气的帐篷千姿百态，由英国 M．L．航空公司设计制造的一系列充气夹心
板可以构成大小不同、形状各异的任何多边形的帐篷。
英国的军事工程试验处，1965 年设计制造了军用充气桥，桥跨度 5．5 米，
桥本身很轻，只有 350 千克重，打仗时，遇到小河可随时充气让卡车通行，
用完则放气缩小成一小团让卡车运走。
充气结构打破了传统的建筑结构形式，在有压气体压力的调整下，只要
塑造出封闭的外形，任何形状都可以实现。它不存在梁、柱等构件，当充气
结构受力时，结构内受压气体把力传给整个结构，充气表面薄膜各处受力相
同。
1970 年日本大阪世界博览馆中，日本的富士馆因其体量宏大、造型新颖
而大出风头。它由 16 根直径为 4 米、长度为 78 米的充气管柱组成，把它们
两头分别安置接地，于是中间拱起形成一个个拱门，由于圆形平面，两头接
地的一个个拱门随着跨度的不同（最大的跨度为圆形平面的直径）拱起的高
度也不同，造成马鞍形的外形，充气管�
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