埃菲尔铁塔的设计

埃菲尔铁塔工程管理1001班印宇彤201032017埃菲尔铁塔（法语：LaTourEiffel）是一座于1889年建成位于法国巴黎战神广场上的镂空结构铁塔，高300米，天线高24米，总高324米。埃菲尔铁塔得名于设计它的桥梁工程师居斯塔夫·埃菲尔。铁塔设计新颖独特，是世界建筑史上的技术杰作，因而成为法国和巴黎的一个重要景点和突出标志。它和纽约的帝国大厦、东京的电视塔同被誉为西方三大著名建筑。这个为了世界博览会而落成的金属建筑,曾经保持世界最高建筑45年,直到克莱斯勒大厦的出现。它由250万个铆钉连接固定,据说它对地面的压强只有一个正常的成年人坐在椅子上那么大。塔的四个面上,铭刻了72个科学家的名字,都是为了保护铁塔不被摧毁而从事研究的人们。埃菲尔铁塔经历了百年风雨，经过20世纪80年代初的大修之后风采依旧，巍然屹立在塞纳河畔。它是全体法国人民的骄傲。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。除了四个脚是用钢筋水泥之外，全身都用钢铁构成，塔身总重量7000吨。从塔座到塔顶共有1711级阶梯，现已安装电梯，故十分方便。每一层都设有酒吧和饭馆，供游客在此小憩，领略独具风采的巴黎市区全景：每逢晴空万里，这里可以看到远达70公里之内的景色。铁塔的设计者埃菲尔先生当初交付图纸时就曾说：“只有适当的油漆，才能保障这座金属建筑的寿命。”这句话对于铁娘子的维护很是适用，它是不是同时也更适合于现今人们情感的维系：细致关怀，善始善终，这才是人间大美之所在。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EmileNouguier和MauriceKoechlin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Koech2lin邀请建筑师StephenSauvestre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。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。·设计方法研究和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。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。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横梁的联系并使之统一为一个整体,同时充分体现塔底因塔柱叉开而产生的跨越效果,设计布置一组巨型拱门是非常合适的。埃菲尔铁塔造型的力学思想由古斯塔夫·埃菲尔等人创造的这个传世佳作在美学、力学、建筑学等方面均有其独到之处。埃菲尔铁塔所体现的设计思想至今仍具有一定的指导和借鉴意义,给人以有益的启迪。先假设一个对称的简单桁架体系来抵抗强风荷载P1,P2,P3,P4(图5):为了计算MN截面上三个杆件的拉力或压力,可以先计算截面以上塔体所受外部荷载的合力P。如果MN截面上外侧的两个弦杆延长相交于外部荷载合力P的作用线上,那么中间格构柱上的力将不存在,也就是说这根杆件可以被省去(但是为了使两根弦杆共同受力并且每根弦杆也能单独承受一部分水平风荷载,少量的横撑不可缺少的同时弦杆也应具有一定的抗弯刚度)。更进一步讲,如果此时MN截面以上塔的重量产生的顺时针力矩和风荷载产生的逆时针力矩相平衡,那么迎风面弦杆将没有轴向力的作用,同时背风侧弦杆的轴向力将指向重力荷载与水平风荷载的合力点。通过改变竖向构件的方向来反映弯曲的压力曲线,正是这种原则方法的应用构成了埃菲尔铁塔结构体系的特点之一,并且至少在塔的下部决定了外部的形式。从而,通过在上部结构的大多数截面上省去格构杆件,重点突出了四个独立的塔柱。而且塔柱自身显著的强度,不仅能够提供巨大的竖向荷载的支承,对水平风荷载亦有足够的抗力,给人以深刻的印象。为了铁塔的整体性和稳定感,4个塔柱在三层平台上由横梁联系一体。现在的塔架外形又很多采用抛物线型,其下部的塔柱斜度较大,有较强的抗剪能力,从而使得相应层斜杆分担的剪力减小。在一定的条件下,静力计算中会出现这样的情况:只要斜杆是截面极小的“虚杆”也能满足结构的平衡。因为此时塔架的外形类似埃菲尔铁塔,这种情况就称为塔架的“埃菲尔效应”。然而,风荷载存在一定幅度的变化,会使斜材内力产生较大的变化。因为没有象埃菲尔铁塔那样强大的塔柱,所以必须对这时候斜杆的真实受力情况进行研究,以避免由此类“假想平衡”状态而引起的斜杆选择不当。目前一般通过规定斜杆与塔柱的轴力比α的下限来防止“埃菲尔效应”的产生。风荷载对埃菲尔铁塔结构形式的影响埃菲尔铁塔设计时被认为,除自重和游客的重力荷载外,主要承受风载。设计师假定没有“穿孔效应”的塔身要承受塔顶238km/h、塔底169km/h的最大风速。由于塔身是由钢构架(实际用的是锻铁)做成,没有外面层包裹,风可以穿越结构,实际风载比设计值小得多,因而有很大的安全储备。为了进一步阐明铁塔结构造型中所包含的力学原理和结构设计思想,不少学者进行了专门的研究。美国俄亥俄州肯特州立大学的JosephGallant在其《埃菲尔铁塔的形式》[3]一文中提到“埃菲尔铁塔与众不同的造型源于基本的力学思想,设计原则是让最大风荷载产生的倾覆力矩与铁塔自身重量产生的力矩相平衡⋯⋯”,为了实现这种平衡,埃菲尔“弯曲了塔柱使得同一高度上各点引出的切线相交于一点且这一点也恰恰在塔体切点以上部分风荷载合力的作用线上”。于是通过计算确定的塔柱曲线能够提供最有效的抗风支持,而且桥塔实际重量产生的竖向力与最大风荷载产生的水平力两者的合力在铁塔每一层上都是沿着铁塔的理想塔柱。在这一认识的基础上,JosephGallant以风压为基本参数,利用数学工具重构了铁塔的几何形式。由于一开始假定风压沿塔高度不变,从推导的结果看效果不是很好,只能在部分塔段上与实际塔形保持一致。如图6所示塔顶和塔底的结果很难同时符合实际构形。风荷载的主要成分是平均风,其主要特点之一就是平均风速在梯度风高度内随高度而变化,这是由于地表障碍物的作用而造成的,而且随地面粗糙程度而变化。考虑到风荷载的这种特性,JosephGallant进一步优化了有关风压的参数,结果非常好。另外,科罗拉多大学的PatrickD.Weidman在其《埃菲尔铁塔的数学模型》一文中也进行了这方面的研究,用不同的方法进一步说明了风荷载对埃菲尔铁塔结构形式的影响。需要说明的是,铁塔的实际线形是在结构力学性能的基础上,综合考虑美观、经济和可施工性等方面内容而最终完成的。但无论如何,清晰的结构意识在这一过程中的基础性地位是不能动摇的。1887年1月28日，埃菲尔铁塔正式开工。250名工人冬季每天工作8小时，夏季每天工作13小时，终于，1889年3月31日这座钢铁结构的高塔大功告成。埃菲尔铁塔的金属制件有1.8万多个，重达7000吨，施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个。由于铁塔上的每个部件事先都严格编号，所以装配时没出一点差错。施工完全依照设计进行，中途没有进行任何改动，可见设计之合理、计算之精确。据统计，仅铁塔的设计草图就有5300多张，其中包括1700张全图。铁塔采用交错式结构，由四条与地面成75度角的、粗大的、带有混凝土水泥台基的铁柱支撑着高耸入云的塔身，内设四部水力升降机（现为电梯）。它使用了1500多根巨型预制梁架、150万颗铆钉、12000个钢铁铸件，并且没有用一点水泥，总重7000吨，由250个工人花了17个月建成，造价为740万金法郎，每隔7年油漆一次，每次用漆52吨，并且没有用一点水泥。这一庞然大物显示了资本主义初期工业生产的强大威力，与其说是建筑，不如叫做装配更为恰当。在设计、分解、生产零件、组装到修整过程中，总结出一套科学、经济而有效的方法，同时也显示出法国人异想天开式的浪漫情趣、艺术品位、创新魄力和幽默感。埃菲尔铁塔的设计图纸