人體骨骼和埃菲爾鐵塔有何共同之處？

人人都愛埃菲爾鐵塔。任何初到巴黎的人，一眼便能認(rèn)出埃菲爾鐵塔那經(jīng)典的標(biāo)志性形狀。然而，在鐵塔建造期間，藝術(shù)評(píng)論家們卻對此褒貶不一——聽到這里你也許會(huì)感到意外。以下是一些言辭較為激烈的觀點(diǎn)。

在現(xiàn)代人的眼中，埃菲爾鐵塔的形狀既高雅又大方，或許能夠亙古流傳下去。不過在當(dāng)時(shí)的評(píng)論家看來，它就像一個(gè)畸形的怪物。埃菲爾鐵塔代表了一種新型審美觀。一段時(shí)間之后，人們才開始欣賞這種審美。埃菲爾所追求的是一種深度之美，而非流于表面的美。他的審美觀同經(jīng)濟(jì)節(jié)約和結(jié)構(gòu)效能緊密相連，利用最少的材料實(shí)現(xiàn)最大的效能。他將純粹、高效且精心設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)視為一種藝術(shù)。

埃菲爾鐵塔背后的和諧定律

針對一系列批評(píng)聲浪，埃菲爾是這樣描述其新型審美觀的：

“因?yàn)橐粋€(gè)人是工程師，他就不會(huì)專注于其作品的美，或者不會(huì)去追求和創(chuàng)造精致感、堅(jiān)固性和耐久性嗎？效能和建筑和諧難道是不可兼得的嗎？這個(gè)龐然大物有一種魅力，給人以極大的愉悅感，一般的藝術(shù)理論是無法做到這點(diǎn)的?！?/p>

埃菲爾的設(shè)計(jì)初衷是利用最少的材料實(shí)現(xiàn)高度和牢固性的目標(biāo)。埃菲爾鐵塔完美地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。埃菲爾并沒有采用立面來隱藏鐵塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是標(biāo)新立異地將骨架直接呈現(xiàn)出來。如此一來，鐵塔背后的和諧定律得以揭示，人體骨骼的輕質(zhì)強(qiáng)度也是由此決定的。

為了理解埃菲爾的天才設(shè)計(jì)，我們先來解決一個(gè)小問題。試想一下，將整個(gè)鐵塔熔成一個(gè)實(shí)心的球體。你認(rèn)為這個(gè)球會(huì)有多大呢？（點(diǎn)擊圖片可放大。）

那么埃菲爾是如何設(shè)計(jì)出一個(gè)牢固到能夠抵御大自然的侵襲，同時(shí)又和其周圍空氣差不多輕的建筑的呢？

要想回答這個(gè)問題，就得理解一些高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，方法就是研究人體內(nèi)部。通過研究人體骨骼，便能發(fā)現(xiàn)埃菲爾鐵塔的一部分設(shè)計(jì)原理。

人體骨骼的秘密

如果將一塊骨骼切開，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它就像一根長棍面包——外表堅(jiān)硬，內(nèi)部卻布滿小孔。外面的骨質(zhì)叫做“密質(zhì)骨”，堅(jiān)硬緊湊，用來支撐大部分的身體重量。內(nèi)部的骨質(zhì)卻像海綿，被稱為“松質(zhì)骨”。這一結(jié)構(gòu)也起著重要作用，用來支撐人體骨骼時(shí)常需要承受的壓力和拉力。

現(xiàn)在來放大長棍形骨骼的外殼——密質(zhì)骨。密質(zhì)骨由許多被稱為“骨單位”的管狀組織構(gòu)成，每個(gè)骨單位的直徑僅為0.2毫米，從中間伸出一根血管。將這些骨單位內(nèi)壁放大后，可以看到它們是由一些更微小的“束”構(gòu)成的，這些“束”叫做“原纖維”。對其中一根原纖維進(jìn)行放大后，可以看到它們確實(shí)是一些纖維束，每根纖維由三根單纖維交織而成。將這些單纖維分離后便得到了骨骼的基本單位“骨膠原”——一種長鏈狀分子。

這種將事物結(jié)合起來，利用自相似性物質(zhì)進(jìn)行構(gòu)建的分形[6]方式叫做“結(jié)構(gòu)層次”（structural hierarchy）。人體骨骼的輕質(zhì)強(qiáng)度正是由于這種結(jié)構(gòu)層次的存在，即管狀體層層包含的結(jié)構(gòu)。（松質(zhì)骨也是一種具有自相似性的分形結(jié)構(gòu)。假如用電子顯微鏡對一塊松質(zhì)骨進(jìn)行觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它看上去就像海綿。）

竹子的生長原理同樣如此。這種生長極其迅猛的植物需要一種保持輕量的同時(shí)將材質(zhì)最小化的方式，這樣才能夠保證達(dá)到一定高度的同時(shí)不被自身重量壓垮。竹子的空心管狀結(jié)構(gòu)有效地保證了其自身的硬度。竹子和人體骨骼一樣，由一些極細(xì)的管狀組織構(gòu)成，這些管狀組織由纖維束構(gòu)成，纖維束則由更為纖細(xì)的纖維束組成，以此類推。將一根竹子層層分解，直至納米大小的纖維，便得到了另一種長鏈狀分子——“纖維素”。

竹子和骨骼本質(zhì)上都是納米物質(zhì)，利用結(jié)構(gòu)層次來保證輕質(zhì)和強(qiáng)度。埃菲爾鐵塔的設(shè)計(jì)原理與之相似。埃菲爾從竹子和骨骼中得到靈感，將其運(yùn)用到龐大的建筑中去。

和許多現(xiàn)代建筑一樣，埃菲爾鐵塔利用了一系列“X”形橫梁，也就是“桁架”。借助固有強(qiáng)度和三角結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一種相當(dāng)高效的建筑設(shè)計(jì)手段。若對埃菲爾鐵塔的一根桁架進(jìn)行放大，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)并沒有表面上那么堅(jiān)固，每根桁架都由一些更小的相似桁架構(gòu)成。材質(zhì)內(nèi)部的小孔比鐵多。這種中空結(jié)構(gòu)成就了鐵塔令人難以置信的輕質(zhì)性。下次你走過一座橋的時(shí)候，請仔細(xì)觀察，說不定那座橋也運(yùn)用了同樣的原理。

風(fēng)造就的形狀

假如你已經(jīng)知道如何建造一座輕質(zhì)型高塔，那么如何才能保證它屹立不倒呢？埃菲爾鐵塔不僅要抵抗重力，還要和極具破壞力的大風(fēng)作斗爭。為了應(yīng)對這個(gè)問題，其斜坡狀曲線嚴(yán)格地遵循了能夠抵抗大風(fēng)的最佳形狀。

建造一種精心設(shè)計(jì)的建筑的訣竅在于將力轉(zhuǎn)移至你希望的位置。埃菲爾深諳此道。鐵塔的形狀具有一種特別的性質(zhì)，風(fēng)和鐵塔自身重量的結(jié)合力將分散至塔的支架，之后分散至堅(jiān)實(shí)的基座。（用物理學(xué)術(shù)語來解釋的話，鐵塔的形狀恰到好處，所以風(fēng)所引發(fā)的力矩[7]或者說傾倒趨勢被鐵塔自重的力矩所抵消，從而達(dá)到平衡。）

在一次采訪中，埃菲爾對一些藝術(shù)批評(píng)聲浪進(jìn)行了回應(yīng)，解釋了其設(shè)計(jì)原理。

“在設(shè)計(jì)鐵塔的過程中，什么現(xiàn)象是我要重點(diǎn)考慮的方面？那就是如何抵抗大風(fēng)。這么說吧，我相信鐵塔四個(gè)外緣的曲率將給人以力量和美感的深刻印象——正如數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果所顯示的那樣?！?/p>

這是我的起重機(jī)！

埃菲爾手下的工程師們在理解了力的流動(dòng)方式之后，將材料分配至最適當(dāng)?shù)奈恢?，得以設(shè)計(jì)出最佳建筑。他們所采用的將力的流動(dòng)具象化的方法和人體骨骼科學(xué)具有某種有趣的關(guān)聯(lián)。達(dá)西·湯普森（DArcy Thompson）在其專著On Growth and Form）中對此進(jìn)行了描述。該書出版于1917年，用長達(dá)1000頁的內(nèi)容對一些支配生物學(xué)的數(shù)學(xué)定律進(jìn)行了深度分析，叫人信服。

“來自蘇黎世的庫爾曼（Culmann）教授是一位偉大的工程師，同時(shí)也是圖解靜力學(xué)（graphic statics）這種現(xiàn)代力學(xué)解析法的開創(chuàng)者。1866年，他偶然間來到了其同事邁耶（Meyer）的解剖室，這位解剖學(xué)家當(dāng)時(shí)正專心研究一塊骨頭。之前一直忙于設(shè)計(jì)一款全新力量型起重機(jī)的庫爾曼很快發(fā)現(xiàn)，松質(zhì)骨的排列方式恰巧是各種力的圖解表，清楚地顯示了這種負(fù)重結(jié)構(gòu)中拉力和壓力的方向。簡而言之，自然賦予骨骼力量的方式和方向正是獲得力所需的相應(yīng)因素。據(jù)說，他當(dāng)時(shí)大喊道：‘那就是我的起重機(jī)！”

工程師在觀察一種結(jié)構(gòu)的時(shí)候，看到的不只是材質(zhì)本身，更是起作用的那些力——像是戴上了一副X光護(hù)目鏡。這些力分為兩種，將某一物體朝內(nèi)擠壓的壓力和將其朝外拉伸的拉力。我們在日常生活中接觸到的一切實(shí)物，從桌子、椅子、橋梁到摩天大樓，本質(zhì)上都是這兩種力的集合。

所以，庫爾曼在設(shè)計(jì)起重機(jī)的時(shí)候，利用了其開創(chuàng)的圖解靜力學(xué)來標(biāo)出這些壓力和拉力。下面就是他所畫的圖。

左圖是他當(dāng)時(shí)所研究的起重機(jī)的受力圖。右圖是股骨[9]頂端受力圖。這些圖片作為庫爾曼和伍爾夫（Wolff）1870年專著的改良版，標(biāo)志著工程師和解剖學(xué)家之間的首次合作。

因此，庫爾曼在看到股骨頂端松質(zhì)骨的受力模式后，聯(lián)想到了自己的起重機(jī)。他非常清楚地看到了骨頭中力線的交叉型分布，頓時(shí)萌生了靈感。

股骨內(nèi)部之所以以松質(zhì)骨的方式進(jìn)行高效排列，是為了確保受力最多的位置恰好是實(shí)心的部位，而在沒有力施加的條件下，恰好是中空的部位。在骨骼發(fā)展過程中，上述現(xiàn)象會(huì)逐漸發(fā)生。松質(zhì)骨會(huì)朝著受力最多的方向進(jìn)行排列、變硬，未受力的部位則發(fā)生萎縮，好比風(fēng)所形成的那些令人嘆為觀止的拱形砂巖。風(fēng)將受力最小的那部分巖石帶走，留下力線的三維輪廓，那是巖石排列最為緊密的位置。

近年來，骨骼和力之間的關(guān)聯(lián)是否具備數(shù)學(xué)意義上的準(zhǔn)確度為人所質(zhì)疑。不過，人們對一般原理還是普遍接受的，那就是骨骼通常適應(yīng)其功能需要，骨骼結(jié)構(gòu)則與受力大小保持一致。

這和埃菲爾鐵塔有什么必然聯(lián)系嗎？這么說吧，庫爾曼所開創(chuàng)的針對某一結(jié)構(gòu)的力學(xué)分解圖是一種強(qiáng)有力的新工具，將力通過某一結(jié)構(gòu)的方式呈現(xiàn)在工程師們面前，這種方法沿用至今。庫爾曼的一個(gè)學(xué)生莫里斯·克什蘭（Maurice Koechlin）受雇于埃菲爾。勾勒出埃菲爾鐵塔初稿的正是克什蘭。他曾接受過圖解靜力學(xué)方面的訓(xùn)練，從中汲取了靈感。庫爾曼所開發(fā)出的、用來理解人體骨骼的工具后來被埃菲爾的工程師們用來設(shè)計(jì)埃菲爾鐵塔，實(shí)現(xiàn)了材質(zhì)上的最小化。

因此，當(dāng)初那些把埃菲爾鐵塔稱為“骨架”的評(píng)論家們確實(shí)意在侮辱這件藝術(shù)品，不過如今看來，卻反而是一種贊美了。每當(dāng)論及工程學(xué)，我們?nèi)阅軓娜梭w骨骼中受益不少。