提及「結構」一詞，你會想到什麼？是化學之鏈結的分子結構？是電腦科學中儲存、組織數據的方式？抑或是階級組織形成的等級結構？

對於建築師、工程師以及設計師來說，「結構」一詞的定義為「任何以荷重為目標的物質組合」，它涉及承載重量、力學與安全等範疇；幾乎所有的動植物與人造物，都需要承受一定程度的力學力而不損壞，因此幾乎所有的東西都有某種結構。建築橋樑的倒塌、汽車飛機的解體，雖然工程結構是一門深奧又乏味的科學，但卻與我們的生活習習相關。

詹姆斯．愛德華．戈登是材料科學和生物力學研究領域先驅 （James Edward Gordon）其1978年出版的結構之書：從自然物到人造物，萬物成形與屹立不搖的永恆祕密（Structures: Or Why Things Don't Fall Down）對於結構和材料有著深遠的影響。



本書以通俗的方式，說明撐起世界萬物的各種基本原理。不論是建築物、動物軀體、飛機或蛋殼，作者用風趣的文字、逗趣的主題，讓讀者深入了解人類和大自然創造各種物體的原理。將專業術語以清晰直白的用語解釋，如應力、應變、扭力、斷裂、壓縮等基本概念與運作原理。不單是一般大眾，專業建築師和工程師也能從中獲益。


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拱
拱雖然沒有石造建造法那麼古老，但仍然相當古老。我們發現古代的埃及和美索不達米亞都有完善的磚製圓拱建築，而且可以追溯到約公元前三千六百年。石拱的發展可能有別於或獨立於疊澀法（corbelling），亦即將石造一塊接著一塊從兩側疊起，一直疊到在中間相遇。邁錫尼文明古城提林斯（Tiryns）城牆底下的地窖——荷馬在詩作裡讚嘆的時候，它們已經相當古老了——就是採用疊澀法建造拱頂（照片五）。這些巨大城牆的暗門（照片六），可以說是用疊澀法衍生出來的，興建的年代可能在公元前一千八百年以前。


提林斯古堡的疊澀法拱頂（公元前1800年左右）。在真拱出現以前，先有疊澀法的拱和拱頂。
 
不過，用疊澀法或半疊澀法製造的拱，像提林斯的城門相當粗糙。古人很快就發展出另一種造法，將拱的磚塊或石頭稍稍弄成楔形的拱石（voussoir）。圖十三標示出傳統拱的各個部位。


 
拱頂的拱石稱作「拱頂石」，有時會做得比其他拱石大。詩人、政客和其他不懂相關學問的人會賦予拱頂石各種象徵意義，但它的功能其實和其他拱石完全一樣，假如有差異，也只是裝飾性質而已。


提林斯古城的半疊澀法暗門。荷馬讚嘆這些城牆時，城牆早已十分古老。
 
拱在結構上的作用是支撐由上而下的荷載，將荷載轉變成橫向的推力，並讓這個推力沿著拱圈跑，讓拱石彼此相互推擠，拱石當然會再推擠橋台。只需要用常理，就能理解這整個過程（圖十四）。


 
拱圈由拱石形成，作用有如一面弧形的牆，因此每個接合處的壓縮負荷也能用相同的推力線表示，此時推力線會大致沿著拱圈呈現弧形。下一章會再探討拱內的推力線，我們暫且先知道這裡有推力線即可。還有一點和牆壁一樣，我們可以假定拱石不會彼此滑動，而且接合無法承受拉力。
 
拱石接合處的行為方式，有如牆壁裡每塊石頭之間的接合處：假如推力線超過「中間三等分」，裂縫就會出現；假如推力線到達接合的邊緣，也就是拱圈的邊緣，就會出現「鉸」。但此時拱就和平庸無奇的牆不同了：牆這時會倒塌，但拱不會。如圖十五所示，一個拱即使最多出現三個鉸，都不會發生太嚴重的事。事實上，許多現代拱橋甚至會刻意蓋成三鉸拱，以便有熱脹冷縮的空間。


 
假如我們真的想要這座橋倒下來，就需要弄出四個鉸，讓拱形成有如三環相連的長鏈，因此可以折疊起來，導致整座橋倒塌（圖十六）。順便一提，正因為如此，假如想要炸毀一座橋，不論用意是好是壞，炸藥放在「三等分點」附近最好。若要這樣做，通常需要從橋的路面往下挖掘，將炸藥放置在拱圈的頂端。這需要花時間才能做到，因此軍隊撒退時往往來不及確實毀掉橋梁。



從以上種種情況，我們看得出來拱非常穩定，不會輕易因為基礎移動而受影響。假如基礎發生了讓人察覺得到的移動，牆很可能會倒塌，但拱不太會受影響，而且我們經常可以看到變形的拱。舉例來說，劍橋大學學院後園（The Backs of Cambridge）的克萊爾學院橋（照片七）因為橋台移動，導致橋的中間明顯扭曲，但這座橋已經這樣扭曲非常久，因此相當安全。同理，拱相當耐地震和其他摧殘，像是現代的車流。


讓真拱倒下來非常困難。劍橋大學克萊爾學院橋的基礎早已移動，拱已經變形，但橋本身安全無虞。

整體來說，我們的老祖宗會對拱成癮並不意外，因為即使你的數學全部算錯（或者根本什麼都沒算），或甚至基礎全部陷入泥沼裡——英國有好幾座大教堂便是如此，它們八成還是會繼續矗立著。（Text copyright c J. E. Gordon 1978 繁體中文版由臉譜出版發行）

資料及圖片提供」臉譜出版
編輯」歐陽青昀