第3章 19世纪建筑材料、结构科学和施工技术的进步

巧妇难为无米之炊，没有材料盖不成房屋。有了材料，它们的品种性能又至关重要。我国著名土木工程专家李国豪说，在历史上，“每当出现新的优良建筑材料时，土木工程就有飞跃式的发展”。土木工程的状况同房屋建筑关系十分紧密，房屋的骨骼和主体就是一种土木工程。土木工程有了发展，房屋建筑自然也有变化。此外，建筑材料对于建筑的质量、形象，对人的生理和心理感觉，从而对建筑艺术都有直接的关系。李国豪指出，土木工程的三次飞跃发展是同三种材料联系的：砖瓦的出现；钢材的大量应用；混凝土的兴起。（《中国大百科全书·土木工程》卷“土木工程”条）这三种材料之中，钢材和混凝土在建筑中的广泛应用都发生在19世纪。

3.1 房屋建筑中钢铁结构的采用

在房屋建筑中，比较广泛地采用铁，后来又改用钢来做房屋结构和其他部件、配件，这在建筑发展上具有重大的革命性的意义。

人类使用铁的历史十分久远。但在18世纪末叶以前，在房屋建筑中，铁主要是用以制作栏杆、铰链、钉钩、把手等小型部件以及装饰之用。在有些建筑中，也出现过起结构作用的铁制部件，如古代砖石拱券上的铁制拉杆和圆顶上所用的铁箍等，但这些铁件也只是砖石结构或木结构的配件。除去个别的例子，18世纪末叶以前，在世界各地区铁都没有成为主要的建筑结构材料。之所以如此，一方面是由于石、木、砖等传统材料一般已能满足当时的建筑需要，亦即还没有产生对一种新结构材料的迫切需要；另一方面，更重要的，是受到铁的产量的限制，并且存在着将铁制成大型构件的技术困难。

18世纪末叶，英国开始工业革命。使用机器的大工厂和铁路建设，要求建造多层、大跨度、耐火和耐振动的建筑物，并要求尽快建成使用。社会生活的其他领域，也不断提出各种各样为砖石和木结构房屋所不易或不能满足的建筑要求。如博览会上的临时性建筑。与此同时，工业革命促进了铁产量的大幅度增加，这就为在房屋建筑中大量使用铁材准备了条件。

过去，欧洲都是用木炭做冶炼铁矿石的燃料，铁的生产受到木材供应的限制。17世纪的英国，由于森林减少，木炭涨价，一度造成铁产量的下降。18世纪初，提出了采用焦煤炼铁的方法，后来又在炼铁炉上加上鼓风设备（1860），为大规模生产铁奠定了基础。18世纪末叶英国产业革命后，工业和铁路建设大量用铁，进一步促进了铁的生产。恩格斯在描写18世纪末和19世纪初英国的情况时曾写道：“发展得最快的是铁的生产……炼铁炉建造得比过去大50倍，矿石的熔解由于使用热风而简化了，铁的生产成本大大降低，以致过去用木头或石头制造的大批东西现在都可以用铁制造了。”

1740年英国生铁产量1.7万吨，1788年增至6.8万吨。进入19世纪，产量激增，1800年产铁19.3万吨，1840年增至140万吨，1870年又增至606万吨。19世纪后半叶，其他国家铁产量也增多了。1870年全世界生铁产量为1180万吨，1900年增至4070万吨，1913年又增至7850万吨。铁的应用范围随产量增加而日益扩大。19世纪被称为“铁的世纪”。

在桥梁建设中采用铁结构稍早于房屋建筑。铁桥的建造技术为房屋建筑中采用铁构件作了技术上的准备。

在房屋中，最早采用的铁结构是生铁柱子。纺织工厂大量使用机器以后，旧式房屋中体积庞大的砖石承重墙和柱子妨碍机器的布置（有时，机器只得放到房屋的最上一层，因为那里的室内空间稍为宽阔一些）。为了减少支柱占用的面积，18世纪80年代英国的纺织工厂首先采用生铁内柱，接着在需要大空间的民用建筑中也采用铁柱（如1794年伦敦某书店内采用的铁柱是较早的例子之一）。铁也开始用来建造屋架，如1786年巴黎法兰西剧院的熟铁屋架。以后又出现了外部采用砖石承重墙而内部梁柱用铁制造的砖石-铁混合结构的多层房屋，如1801年英国曼彻斯特市沙尔福（Salford）地方用这种方式建造了一座七层的棉纺织工厂。19世纪初发明铆钉连结，铁结构大为简化，也更加可靠，用辗压方法制造铁的型材以后铁结构的运用遂愈益广泛。那些要求很快建造起来的大跨单层的建筑物，如市场、火车站站棚、花房、展览馆等，都纷纷采用铁结构。稍后，欧洲一些重要的公共建筑物，也开始采用铁结构来建造大厅的屋盖。例如，伦敦煤炭交易所（London Coal Exchange，1846—1849）大厅的圆顶直径18.3米，顶高22.6米；不列颠博物馆的阅览大厅（British Museum Reading Room，1857）的圆顶直径42.7米；以及俄国彼得堡的冬宫大厅屋顶（1837）和依萨基也夫斯基教堂的圆顶（19世纪40年代）、法国巴黎的圣杰列维图书馆（Bibliothégue Sainte-Genevieve，1843—1850）和国家图书馆（Bibliothégue Nationale，1856—1868）的屋顶等。

19世纪中叶美国一些大商业城市中最早出现全铁框架的多层商业建筑，这类商业房屋的外墙上除了细狭的铁梁柱外，全部都开成玻璃窗，以改善室内照明和通风，满足大量人员办公的需要。19世纪美国内河航运大港和商业城市圣路易斯是这类建筑出现较早的地点之一。差不多同时，在欧洲也出现了铁框架的建筑，1867年巴黎博览会上展出过用空心砖做填充墙的铁框架住宅。1871—1872年在法国建成一座利用水力做动力的巧克力制造厂，为了减轻架设在水面上的五层厂房的建筑自重，采用了完全的铁框架结构。这些都是铁框架房屋的较早的实例。

在19世纪，出于炫耀和好奇的心理，铁材也出现在一些皇宫和府邸建筑之中，如英国布列通皇家别墅（1818—1821）的一个客厅中采用过铁柱，巴黎皇宫花园中用铁及玻璃建造了一座游廊（1829—1831）等。铁构件在这里是作为一种新奇时髦的东西而出现的。

在19世纪中期，最引人注意的铁结构建筑是1851年的英国博览会展览馆，它采用铁与玻璃建造，占地面积达7.18万平方米，因为内部光线明亮，被称作“水晶宫”（详见3.2节）。1855年，巴黎博览会上采用铁结构建成的单跨达85米的展览厅是当时世界上跨度最大的建筑物。这些建筑物的铁构件和部件一般是在工厂中预先制好，运到现场加以装配的。预制装配缩短了建筑工期。19世纪中期，为适应英国殖民主义扩张的需要，英国铁工厂中还曾生产过全部预制装配的铁建筑物并远销海外。这类铁的预制房屋包括仓库、商店、住房、车站，甚至还有小型教堂和戏院。（最早的铁的预制房屋大约开始于18世纪90年代英国运河工人用的铁板小屋。1841年，曾有人将预制装配式的铁灯塔运到牙买加安装。1843年，英国铁工厂为非洲生产过一座二层的铁材住房。19世纪英国教会曾拒绝批准用铁制房屋做正式的教堂。）

人们关于铁结构的知识和运用技术是在实践中逐步掌握和丰富起来的。在早期，人们在工程结构中把铁当作石材一样的东西来使用，最早的铁桥就是采用拱桥的形式，例如英国1793—1796年建造的桑德兰铁桥就是这样的，后来才发现了比较符合铁的性能的结构形式。到19世纪末叶，铁屋架已有多种结构形式，其中包括三铰拱，结构力学随着工程实践逐渐发展起来。在早期，人们为了防火而用铁构件去代替木构件，但是在火灾中，铁构件很快变软失去承载能力，致使房屋倒塌；温度更高时，炽热的铁水四处流散，火灾蔓延得更快。1871年芝加哥中心区的大火灾便是一个惨痛的教训。那次大火以前，当地居民把铁结构看作防火建筑，为了安全，在容易发生火灾的建筑物上用铁梯做太平梯。但在火灾中，铁水漫流，火势更猛，大火把市中心区几乎烧光，10万人无家可归。人们这才知道，裸露的铁结构不但不能防火，而且有更大的危险，必须用耐火材料把铁材包裹起来。

19世纪60年代以后，铁结构又逐渐被钢结构所替代。

钢和铁都是铁碳合金，但生铁含碳量较多，虽有很高的抗压能力，抗拉能力却很差，并且不耐冲击。熟铁含碳很少，用做建筑构件又常常失之太软。对生铁进行熔炼，使其中的含碳量降至1.7%以下，控制在适当的分量上，即得到不同性能的各种钢材。钢具有较高的强度，又有相当的韧性和塑性，含碳量低于0.25%的低碳钢适用于建筑结构。很久以前，人们就掌握了炼钢技术，但因产量很低，所以钢的价格昂贵。直到19世纪50年代，才出现了大规模炼钢的方法，这就是柏塞麦炼钢法（1855）。采用柏塞麦法使钢的价格下降了75%，其后又相继出现了西门子·马丁法（1858—1868）、汤姆斯·吉尔克利斯特法（1877—1878）。钢的产量飞速增长，1870年世界钢产量为50万吨，1900年增至2800万吨，1913年又增至6540万吨。如同铁之大规模用于工程结构的历史一样，随着钢产量的增长，在机器制造等部门已普遍使用钢材之后，钢材才用于用量巨大的建筑结构中。同铁的使用和推广过程一样，钢材也是首先用于桥梁等工程结构物之中，然后才用于有特殊的或迫切需要的建筑类型中，如工厂、大跨度房屋、高层房屋等，再后才较多地用于一般民用建筑物中。在资本主义各国，建筑由铁结构向钢结构过渡，是19世纪末和20世纪初期的事，但在19世纪最后十数年中，钢结构已经开始显示了它在建筑中的巨大作用。1889年巴黎博览会上以钢结构建成一座单跨115米、长420米的巨大的展览厅。接着在俄国建成了一座钢的双曲拱壳屋顶的厂房（1893）和一座悬索结构的展览馆（1896）。与此同时，美国的城市中出现了高达二十多层的楼房（New York Park Row Building，1898，26层）。这些高层房屋的建造，是20世纪出现的所谓“摩天楼”的先声。

3.2 1851年的伦敦水晶宫

1851年春天，伦敦海德公园里面出现了一座规模庞大的铁与玻璃的建筑物，它通体晶莹透亮。人们从来没有见过这样的建筑，如此光洁轻巧，它被人称做“水晶宫”（Crystal Palace）。这个美丽的名字恰当地表达出这座新奇建筑的特质和人们进入其中的感受。

“水晶宫”是一座展览馆，专为1851年5月1日开幕的世界工业产品大博览会（The Great Exhibition of Works of Industry of All Nations）而设计建造。

近代资本主义经济发展以后，各国企业界热心举办各种展览会、博览会以促进产销，这种博览会、展览会展示经济的成就，技术和艺术的发展，生产和消费的新潮，渐渐成为社会生活中的一种盛事，它们具有历史上宗教活动那样的吸引力。各国政府很支持举办这样的博览会，把它作为振兴实业、显示财富和力量的一种方式。在近代史上，1798年巴黎第一个举办工业展览会。此后各国纷纷仿行，但基本上还限于一国国内的产品。1851年在海德公园举办的这次博览会是第一个大规模的国际性博览会。博览会由英国皇家工艺协会主办，协会主席是当时维多利亚女王的丈夫阿尔伯特亲王。

博览会预定于1851年5月1日开幕。1850年3月，博览会的筹建委员会宣布举行全欧洲设计竞赛，征求建筑方案。4月份，委员会收到245个应征方案，但是没有一个合用的。从设计竞赛到建成开幕只有一年多一点的时间，工期极短；其次，展馆在博览会闭幕后将要拆除，因此要省工省料，能快速建造、快速拆除，且建筑物应能耐火。当时欧洲各国建筑师送来的传统的建筑设计方案都不能满足这些要求。委员会于是自己进行设计，拿出的方案仍是一个相当复杂的砖砌建筑，正中有一个大的铁结构圆穹顶。这个方案依然不符合要求，但决定按它建造。对此，议院和公众舆论哗然。这个时候，一位名叫派克斯顿（Joseph Paxton，1803—1865）的园艺匠师出场了。他表示能够提出一个符合各项规定要求的建筑方案。筹建委员会答复可以让他试一试。派克斯顿和他的合作者们工作了8天，果然拿出一个符合各项要求的建筑方案，并且附有造价预算。1850年7月26日这个设计方案被正式接纳，负责施工的是福克斯-亨德森工程公司（Fox&Henderson）。

派克斯顿提出了一个完全新颖的革命性的建筑方案。他设计的展馆总长约564米（1851英尺[1]），总宽约124米（408英尺），共三层，外形逐层收退，立面正中有凸出的半圆拱顶，顶下的中央大厅由地面到最高处约33米（108英尺），大厅宽约22米（72英尺）。左右两翼大厅高约20米（66英尺），大厅两旁楼层形成跑马廊。展馆占地7.18万平方米（77.28万平方英尺），建筑总体积为93.46万立方米（3300万立方英尺）。

这样庞大的建筑物只用17个星期就建起来了。这是闻所未闻的高速度。原因是它既不用石，也不用砖，是一个完全的铁框架结构，所有的墙面和屋面则全是玻璃。整个建筑物由3300根铸铁柱和2224根铁横梁构成框架。铁柱子是中空铁管，所有铁柱的外包尺寸完全相同，不同部位的柱子仅改变管壁的厚度，以适应不同的承载力。横梁系平行桁架梁，长度分为7.3米（24英尺）、14.6米（48英尺）和21.9米（72英尺）几种。它们高度一样，但构件断面不同，有的采用铸铁，有的采用锻铁，以满足不同的荷载需要。在柱头之上有铁制连结体，将柱头、横梁及上层柱子的底部连结成一体，构造十分巧妙，既坚固又便于快速组装。桁架式铁横梁在当时是先进的构件，不过，当时只能计算出每个杆件中的受力，现今所用的桁架理论在1850年尚未形成。为了铁框架的稳定性和抵抗风荷载，外墙铁柱和铁梁之间安装了斜交的拉杆。它们安装在外墙的内侧，在外面仍然隐约可见。中央半圆拱顶上也装有这种斜拉杆。

墙面除铁构件外都是玻璃和窗棂。玻璃只有一种规格，即124厘米×25厘米（49英寸×10英寸）。屋顶除正中的圆拱外都是平的，所有屋面都是玻璃。玻璃天顶组成折板形，便于排水，又增加强度。雨水顺天井注入圆形铁柱，送进地下排水井。屋面玻璃和墙面上的尺寸一样，可以互换。为了安装屋面玻璃，专门做了一种可以移动的小车，沿着天井活动，大大加快了安装速度。80名玻璃安装工人在1周内安装了18.9万块玻璃。玻璃总量达8.36万平方米，重400吨，相当于1840年英国玻璃总产量的1/3。展馆所用的玻璃是当时所能生产的最大尺寸，由英国最大的一家伯明翰玻璃公司提供。正是玻璃的尺寸决定了整个建筑的7.3米（24英尺）的柱网尺寸。英国原来有限制玻璃生产的高额货物税，1845年取消此项税种后玻璃产量大增。如果是在1845年前，水晶宫大概不可能用上那么多的玻璃，展厅内部也将光线暗淡，失去水晶宫的特色。

派克斯顿出身农民，受教育不多，但从1826年23岁时起任一位公爵的花园总管，对于用铁和玻璃建造植物温室很有经验。多年前他已采用玻璃做成折板形温室屋顶，为的是让早上和黄昏时的阳光直射进温室。派克斯顿得到为1851年博览会提出建筑方案的允许后，同一位铁路工程师以及助手们研究出上述方案。方案批准后，他与施工厂商进一步研究结构和构造细节，做出模型进行试验安装。建筑施工图纸由F.& H.工程公司绘制。建筑的构件规格和尺寸都尽最大努力加以标准化。铁件由铁工厂制造，送到现场拼装，大部分采用螺栓固结，施工中尽量采用机械和蒸汽动力。真正用于施工安装的时间实际只占17个星期，留下了布置展览的时间，大博览会按时于1851年5月1日开幕。展出期间有600多万人参观，影响极大。博览会结束后，派克斯顿申请在原地保存水晶宫，未获批准。水晶宫于1852年5月开始拆除，年底运出海德公园。派克斯顿组织一个公司，买下构件材料，运到伦敦南郊西登翰（Sydenham）山头重建，规模扩大，近乎原来的两倍，高度也增加了，两端又各添出一部分，增加了许多新构件。新水晶宫于1852年8月动工，1854年6月竣工，维多利亚女王曾为它揭幕。新水晶宫作为展览、娱乐、招待中心，十分兴盛。1868年清朝官员张德彝等出使西洋，他们在伦敦停留时曾去新水晶宫参观。张德彝在其撰写的《欧美环游记（再述奇）》中记载了他对水晶宫的印象（一次是白天，另一次是晚间）：

九月初八日壬午，晴。午正，同联春卿乘火轮车游‘水晶宫’。是宫曾于同治五年春不戒祝融，半遭焚毁。缘所存各种奇花异鸟，皆由热带而来，天凉又须暖屋以贮之。在地板之下，横有铁筒，烧煤以通热气，日久板燥，因而火起。刻下修葺一新，更增无数奇巧珍玩，一片晶莹，精彩炫目，高华名贵，璀璨可观，四方之轮蹄不绝于门，洵大观也。

十三日丁丑，晴。晚随志、孙两钦宪往水晶宫看烟火，经营宫官包雷贺斯、瑞司丹灵等引游各处。灯火烛天，以千万计。奇货堆积如云，游客往来如蚁，别开光明之界，恍游锦绣之城，洵大观也。

新水晶宫于1866年发生火灾，烧毁部分建筑，即张德彝所说“同治五年春不戒祝融，半遭焚毁”之事。又过了70年，即1936年再次发生火灾，建筑全毁，再也没有重建。

1851年的水晶宫在建筑史上具有重大意义。第一，它所负担的功能是全新的。要求巨大的内部空间，最少的阻隔，以便安置许多庞大的工业产品，以及外域运来的奇花异木，它要同时容纳众多的参观者在其中任意流动。这样的功能，在工业革命前从来没有提出过。第二，它要求快速建造。博览会从筹备到开幕不过一年多时间，留给设计和施工的时间非常之短，因此必须采用新型材料，新型结构，利用工业革命带来的新技术，才能满足这些要求。水晶宫采用的铁构件和玻璃都是由工厂大量生产，然后运到现场安装的，因此，自然要采用标准化的构件。水晶宫第一次大规模地显示了采用工业化的预制装配化方法的优越性。第三，建筑造价大为节省。派克斯顿等人提出的建筑方案和建造方法是当时最经济的一种，按当时的价格计算，水晶宫内部建筑体积的造价合每立方英尺一个便士。我们无从细算这个造价究竟有多么便宜，但从水晶宫墙厚（仅20.3厘米即8英寸）与伦敦圣保罗大教堂墙厚（4.27米即14英尺）的比较，即可看出物力与人力的节约是相当可观的。第四，从水晶宫的设计和建造过程可以看出，只有熟悉和掌握有关新材料、新技术的人员才能解决新的建筑课题，建筑师如果墨守成规，不扩大自己的知识面，就难以发挥应有的作用。第五，水晶宫显示了一种把实用性、技术以及经济放在首位的设计思想，这种要求有力地突破了沿袭传统建筑样式的做法。尽管在水晶宫的建造过程中，这一切是不得已的，被逼出来的，然而也不是偶然的，相反，它预示着时代发展的趋向。第六，水晶宫的建筑形象向人们预示了一种新的建筑美学质量，其特点就是轻、光、透、薄，它们与传统砖石建筑的厚、重、闭、实大相径庭。水晶宫在当时得到不同的评价：一方面，许多建筑师和高雅人士认为它算不上是architecture，仅仅是一个construction，意即它不属于建筑艺术或高尚建筑的范围，而只是一个构筑物；另一方面，它又获得了广大公众和不带偏见的专业人士的喜爱。当时的报道说，参观水晶宫的人群对它抱有像是对罗马圣彼得大教堂一样尊崇的情绪，有人描写在水晶宫里的感觉如同“仲夏夜之梦”。清朝官员张德彝说，“一片晶莹，精彩炫目，高华名贵，璀璨可观。”相信是贴切精当的描写！

如果将1851年的伦敦水晶宫同100年后即1951年在纽约建成的利华大厦（Lever House）加以比较，则更使人感到那座已不存在的水晶宫真正是20世纪新建筑的第一朵报春花。

伦敦水晶宫引起公众对玻璃和铁结构建筑的喜爱。在它之后，欧洲和美国一些城市也建造了一些号称水晶宫的建筑，如1853年纽约博览会的水晶宫。很多商业建筑采用铁和玻璃的屋顶。意大利米兰的爱麦虞埃二世商场（Victor Emmanuel Ⅱ Gallery，Milan，1865—1867）的商店街道上覆盖着玻璃拱顶，既挡风雨又有充足的光线，至今仍是居民喜爱的购物中心。1876年巴黎出现第一个有铁和玻璃屋顶的百货公司（Magasins du Bon Marché 1873—1876，设计人L-C Boileau，A. Moisant，G. Eiffel）。这些在当时都是适应城市大量人口需要的新型商业建筑形式。

3.3 水泥和钢筋混凝土广泛应用于建筑

为了把石块或砖连结在一起，最早使用的胶结材料是天然粘土，粘土和水后有塑性和胶凝性，干后又变得相当坚硬。为了减少粘土干缩产生的裂纹，增加其强度，人们把砂和植物纤维如稻草加到粘土浆中。

进一步，人们开始使用石灰。石灰石存在很广，也便于开采。古代人用石灰石盖房子和砌炉灶，很快就认识到这种石料经煅烧后生成的石灰具有比天然粘土更好的胶凝性。世界上许多民族生产和使用石灰的历史都很悠久。公元前三千年埃及金字塔中也曾使用过石灰浆。

古代罗马人曾经利用当地由火山喷射物生成的一种天然胶结材料，把零碎的石块连成整体的拱券结构，建造了规模巨大的斗兽场、浴场等建筑。欧洲进入封建社会以后，在地中海沿岸和其他有火山灰沉积物的地方，人们还利用这种材料做建筑胶结材料，但是没有出现大型的混凝土建筑。这是因为，第一，这种材料很不普遍；第二，在古代条件下，建造大型混凝土结构极其耗费人力。罗马帝国的奴隶主有大批奴隶供其驱使，而长期处于严重分裂状态的欧洲封建社会则不具备采用这种材料和结构的社会条件。

在其后的一千多年中，建筑工程中使用的胶结材料没有重要的发展。

18世纪后半叶，工业和交通的发展促成了新的建筑胶结材料的产生。

建造港口、桥涵、水坝等水下结构特别需要耐水的胶结材料，各国的工程技术界都在寻求试制这类材料。18世纪中叶，英国工程师斯密顿（J.Smeaton）注意到粘土含量较高的石灰石烧制的石灰有较好的水硬性质。通过试验，他在1774年建造一座海上灯塔时，用石灰、粘土、砂和铁渣的混合物砌筑了灯塔基座。

18世纪末，有人用含铝的石灰石烧制出可以在水中硬化的材料，取名为“罗马水泥”。1816年在法国用这种水泥建造了一座桥。在俄国，有人研究把泥灰岩煅烧后磨成细粉。人们继续研究，从早已知道的把砖灰加进石灰浆中能提高耐水性的事实中得到启发，许多人试验把石灰石与粘土一同加以煅烧，如法国人维卡（L.J.Vicat，1786—1861）把白垩和粘土合起来煅烧，英国人亚斯普丁（J.Aspdin，1779—1855）把石灰石和粘土碎末合烧，后者的产品硬化后颜色与强度与波特兰地方出产的石料很相似，因此取名为“波特兰水泥”（Portland cement）。亚斯普丁于1824年取得专利权，波特兰水泥的名称也因此流传下来。

早期水泥生产的工艺自然十分简单，亚斯普丁曾经提到从用石灰岩或泥灰岩铺砌的道路上收集粉尘，用作生产水泥的原料这一事实。随着生产的发展，生产工艺和产品质量不断改进，人们对水泥的化学性质也逐渐加深认识。继英国之后，法国在1840年、德国在1855年开始建设水泥工厂，其他国家也相继发展水泥工业。水泥制造逐渐成为在国民经济中有一定地位的独立工业部门。

波特兰水泥出现后，用它与砂子、碎石制成的混凝土在工程中被广泛使用。混凝土可以浇筑成各种需要的形状，当其硬化后，有很高的抗压强度，而且能够耐火，但在拉力作用下却容易破裂。同它相反，钢铁却有很高的抗拉强度，但在高温下容易丧失其强度。在混凝土和钢铁这两种材料已经同时存在的情况下，人们很自然会想到把这两种材料结合起来，做成既能抗压又能抗拉的结构材料。

很多人积极探寻把钢铁同混凝土结合起来共同工作的构造方式。波特兰水泥出现不久，即有人提出了在铁梁之间用混凝土筑成楼板的方案（1829）。到19世纪40年代，英国有些多层厂房和仓库中，把煅铁板做成拱壳，架在横梁上，铁板上填灌混凝土，以此代替不耐振动的砖拱楼板。在使用砖拱时，有的横梁间的铁拉杆被埋置在混凝土中（如1845年英国土木工程师费尔贝恩建造的厂房）。很明显，这种做法是对砖拱楼板的模仿。进一步的发展是在混凝土中有目的地配置具有抗拉力的钢铁材料，这一步首先是在用水泥制作其他器物的过程中实现的。

19世纪50年代，法国人朗勃（Lambot）用水泥制造小船只，水泥中用了金属丝网（1854年在巴黎博览会上展出）。1861年，法国工程师克瓦涅（F.Coignet）提出了在混凝土中配置钢筋，用来建造水坝、管道和楼板构件的方法（F.Coignet：Les bétons agglomérés appligueś á 1árt de construise，Paris，1861）。从19世纪50年代开始，美国人雅特（T.Hyatt）也对配置钢筋的混凝土构件进行试验。雅特对钢铁在混凝土中的作用有正确认识，他把钢铁集中配置在梁的受拉区，在靠近支点处钢筋向上翻起，并在梁中设置垂直的钢箍。雅特在1878年写道：“铁或钢作为拉杆可以与混凝土或砖结合在一起，当梁或结构受弯时，铁或钢提供全部抗拉能力，同其他材料的抗压能力相平衡。”

以上一些人取得的成果很少为人知道，影响不大，后来广为传播的是法国园艺师芒耶（J.Monier，1828—1906）在1867年用铁丝网夹在混凝土中做成的盆罐。以后芒耶又配钢筋混凝土生产管子、铁路轨枕及其他构件。1873年前后，芒耶用钢筋混凝土建造过几个贮水池，1875年他建造了第一座钢筋混凝土桥（长16米，宽4米）。不过芒耶当时还没有掌握钢筋在混凝土中的结构作用，他主要是从塑造形体的需要来配置钢筋，尽管如此，他对钢筋混凝土的推广使用仍有较大影响。1890年在瑞士和德国用这种材料建造的拱桥，跨度达到40米。德国不来梅工业展览中的拱桥，拱尖厚25厘米。

19世纪90年代，钢筋混凝土开始用于房屋结构。最先用钢筋混凝土建造完整房屋的是德国营造者杭尼比克（F.Hennebigue，1842—1921），他吸取很多工匠的经验，在19世纪90年代发展出使用钢筋混凝土建造房屋的基础、柱、梁、楼板、屋盖的完整系统构造，发挥了钢筋混凝土的整体性优点。杭尼比克用这种系统在欧洲许多地方建造桥梁、工厂、谷仓、水利工程和百货公司等。他在给自己建造的钢筋混凝土结构的住宅中，有大胆悬挑的楼层和屋顶花园。杭尼比克的钢筋混凝土房屋使人们开始进一步认识到这种材料用于房屋建筑的可能性和重要性。这一时期，巴黎甚至出现了用钢筋混凝土建造的教堂（Saut-Jean de Mont-martre，1894年始建）。在20世纪90年代，美国也开始出现钢筋混凝土的建筑。

在实践的过程中，钢筋混凝土结构的理论分析也逐渐形成。1886年，柏林一些科学技术人员开始进行一系列科学实验，在实验基础上第一次提出了钢筋混凝土结构的理论和计算公式（M.Koehen，1849—1924）。计算中把梁的中心轴放在截面中心，略去混凝土的抗拉强度，依此来计算抗拉钢筋。1894年，法国工程师Edmond Coignet与De Tedesco也提出了钢筋混凝土结构的计算方法。

总的看来，在19世纪结束的时候，人们对运用钢结构有了更多的信心，而钢筋混凝土结构的建筑还只是一些个别的尝试，对钢筋混凝土及其结构的理论分析还远未成熟。

3.4 近代结构科学的发展历程

3.4.1 力学的进展

古代劳动人民在建造房屋的实践中，很早就发展出多种多样的结构类型。梁、柱、拱券、悬索、穹顶、木屋架、木框架等都有数千年的历史。由此构成的许多古代宏伟建筑物，至今还使我们惊叹不已。

在实践中人们逐步积累了关于力学和结构的初步知识。中国春秋战国时期墨翟（约前468—前376）的《墨经》中，有关于力、杠杆、绳索、二力平衡以及物体运动的描述，可能是世界上关于力学的最早的资料。在欧洲，晚于墨翟一百多年的希腊学者阿基米德（Archimedes，前287—前212），也对当时的力学经验作过初步的概括。

可是，在封建社会时期，无论是中国还是外国，力学同其他科学一样，长期处于停滞状态。在欧洲，从阿基米德到中世纪末的一千多年中，这方面几乎没有什么重大的进展。在中国长期封建社会中，在工程方面，虽然有许多发明创造，但是力学和结构的知识始终停滞在宏观经验的阶段，没有上升为系统的科学理论。

这种状况是封建社会制度造成的。

在这种状况下，无论中国还是外国，封建社会的工匠们在工作中一般只能按照经验或宏观的感性判断办事。一些工程做法、构件尺寸等大都以文字或数字的规定表现出来。例如12世纪中国宋代的《营造法式》和清代工部《工程做法则例》就是这样的。在国外，15世纪意大利阿尔伯蒂（Alberti，1404—1472）的著作中关于拱桥的做法规定如下：拱券净跨应大于4倍小于6倍桥墩的宽度，桥墩宽度应为桥高的1/4，石券厚度应不小于跨度的1/10。这一类的法则和规定可能是符合力学原理的，但即使这样，它们也不是具体分析和计算的结果，而是某种规范化的经验。古代建筑著作中关于结构和构造的论述，即所谓“法式制度”，其大部分内容都不外乎这类规范化的经验。建筑经验愈是规范化，便愈不容易被突破，它们成为一种传统，在一定程度上束缚了建筑和工程中的革新发展。另一方面，基于宏观的感性经验而得出的结构和构造，一般截面偏大，用料偏多，安全系数很大。古代许多建筑物能够保留至今，原因之一，就是其结构有很大的强度储备。

对工程结构进行科学的分析和必要的计算，是相当晚才出现的。它是在资本主义生产方式出现以后，经过几百年的时间逐步发展起来的。

恩格斯写道：“现代的自然研究同古代人的天才的自然哲学的直觉相反，同阿拉伯人的非常重要的、但是零散的并且大部分已经毫无结果地消失了的发现相反，它唯一地达到了科学的、系统的和全面的发展——现代的自然研究，和整个近代史一样，是从这样一个伟大的时代算起……这个时代是从15世纪下半叶开始的。”

15世纪后半叶，资本主义生产关系首先在欧洲一些地方开始萌芽。随着工厂手工业和商业贸易的发展，新兴的资产阶级为摆脱教会的神权统治进行着斗争，科学在同神学束缚的斗争中开始发展。

“随着中间阶级的兴起，科学也迅速振兴了；天文学、力学、物理学、解剖学和生理学的研究又活跃起来。资产阶级为了发展工业生产，需要科学来查明自然物体的物理特性，弄清自然力的作用方式。在此以前，科学只是教会的恭顺的婢女，不得超越宗教信仰所规定的界限，因此根本就不是科学。现在，科学反叛教会了；资产阶级没有科学是不行的，所以也不得不参加反叛。”

对工程结构进行分析和计算，依赖于力学的发展。15世纪以后，在自然科学发展的最初一个时期，力学就开始迅速发展，正如恩格斯所言，那时“占首要地位的必然是最基本的自然科学，即关于地球上的物体和天体的力学，和它靠近并且为它服务的，是一些数学方法的发现和完善化。在这方面已取得了一些伟大的成就。”资本主义生产关系最先在意大利、荷兰，随后在英国、法国等西欧国家出现和发展起来，因此很自然地，在这些国家里先后出现了一些对力学科学做出重大贡献的科学家。

15世纪末，意大利工程师、艺术家达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519）曾探索过一些与工程有关的力学问题，如起重机具的滑轮和杠杆系统、梁的强度等问题。从他的笔记中可以知道，他已有了力的平行四边形和拱的推力的正确概念，他指出梁的强度与其长度成反比，与宽度成正比，离支点最远处弯曲最大。达·芬奇还做了一些试验，研究“各种不同长度铁丝的强度”等等。他写道：“力学是数学的乐园，因为我们在这里获得了数学的果实。”他是最先应用数学方法分析力学问题并通过试验决定材料强度的人之一。

世界新航路的发现（1492年哥伦布到达美洲，1522年麦哲伦作环球航行），为欧洲新兴资产阶级开辟了新的侵略扩张场所。16世纪后半叶，欧洲一些国家的商业、工业和航海业空前高涨，对科学技术提出许多迫切要求。建造更大吨位的海船、修建大型水利工程等，需要改进船体和工程的结构。解决这些新的技术问题，不能单纯抄袭已有船只和照搬传统的工程做法，必须研究事物本身的规律性。在工程结构方面，就有人提出了研究构件的形状尺寸与荷载之间的关系问题，以便尽可能准确地预先估计结构强度与可靠性。

意大利科学家伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）适应当时生产的实际需要，首先做出重要的贡献。伽利略在观测与实验的基础上进行理论研究。他曾在意大利比萨地方的斜塔上做过著名的落体实验，推翻了亚里士多德的错误见解。他发现抛射体的轨道是抛物线，建立了落体定律、惯性定律等，奠定了动力学的基础。

1638年伽利略出版了《关于两种新科学——力学和局部运动——的论述与数学证明》，书中从参观威尼斯一个兵工厂所做的观察谈起，论证构件形状、大小和强度的关系。他最先把梁抵抗弯曲的问题作为力学问题，通过实验和理论分析，研究杆件尺寸与所能承受的荷载之间的关系。伽利略的这一著作是材料力学领域的第一本科学著作，标志着用力学方法解决简单构件计算问题的开端。

伽利略是从刚体力学的观点研究梁的弯曲的，当时还不知道力与受力物体形变之间的关系。1678年，英国皇家学会实验室主任胡克（Robert Hooke，1635—1703）根据用弹簧所做的实验提出著名的胡克定律，奠定了弹性体静力学的基础。

英国科学家牛顿（Isaac Newton，1642—1727）在总结前人成就的基础上，通过自己的观察、实验和理论研究，解决了许多重要的力学和数学问题，为古典力学建立了完备的基础。

恩格斯在讲到力学和数学等基本自然科学的早期发展时写道：“在以牛顿和林耐为标志的这一时期末，我们见到这些科学部门在某种程度上已臻完成。最重要的数学方法基本上被确立了；主要由笛卡尔确立了解析几何，耐普尔确立了对数，莱布尼茨，也许还有牛顿确立了微积分。固体力学也是一样，它的主要规律一举弄清楚了。”

17世纪后期，牛顿和德国的莱布尼茨几乎同时创立了微积分的基础，以后经过逐步完善，成为科学研究中的新的有力的数学工具。微积分及其他数学方法的发展，促使力学在18世纪沿着数学解析的途径进一步发展起来。

瑞士人约翰·伯努利（Johann Bernoulli，1667—1748）以普遍的形式表述了虚位移原理。他的哥哥雅各布·伯努利（Jakob Bernoulli，1654—1705）提出梁变形时的平截面假定。瑞士人欧拉（Euler，1707—1783）在力学方面做了大量工作，建立了梁的弹性曲线理论、压杆的稳定理论等。意大利裔法国数学家拉格朗日（Lagrange，1736—1813）提出了广义力和广义坐标的概念等。这些人本身都是卓越的数学家，他们从数理分析的途径研究力学问题，发现了许多重要的力学原理，大大丰富和深化了力学内容。

虽然力学本身有了重要的进展，不过在18世纪前期，建筑工程仍像先前一样照传统经验办事。原因是多方面的，首先是力学科学本身还没有成熟到足以解决复杂的实际工程结构问题的程度；其次，在17、18两个世纪中，从牛顿到拉格朗日，力学家们对于工程问题很少注意，他们的著作都不涉及结构强度问题；第三，也是最重要的，是工业革命之前，房屋建筑本身也没有进行结构计算的实际需要，只是在极为特殊的场合，才感到有加以计算的必要。1742年罗马圣彼得大教堂圆顶的修缮就是一个例子。

3.4.2 房屋结构计算的尝试

罗马教廷的圣彼得大教堂是世界上最大的教堂，1506年开始设计，1626年最终竣工。它的主要圆顶直径为41.91米，内部顶点距地面111米，圆顶由双层砖砌拱壳组成，底边厚约3米。庞大沉重的圆顶由四个墩座支承着。圆顶建于1585—1590年。建筑师米开朗琪罗（Michelangelo，1475—1564）当年设计这个圆顶时，主要着眼于建筑艺术构图，圆顶的结构、构造和尺寸全凭经验估定。建成不久，圆顶开始出现裂缝，到18世纪，裂缝日益明显。当时人们对于裂缝产生的原因议论纷纭，莫衷一是。1742年教皇下令查清裂缝原因，以确定补救办法。

对于一般房屋，依靠直观和经验就能决定修缮方案。对于圣彼得大教堂这样复杂巨大而特殊重要的建筑物来说，不得不作深入一些的分析研究。当时，法国资产阶级启蒙思想家的机械唯物论的哲学思想已经传播开来。在这种思想背景下，三个数学家（Le Seur，Jacguier & Boscowich）被招来研究圆顶的破坏原因。他们先对建筑物的现状做了详尽的测绘，对裂缝进行了多次不同时间的观察，从而否定了裂缝产生于基础沉陷和柱墩截面尺寸不足的猜测。他们的结论是圆顶上原有的铁箍松弛，不足以抵抗圆顶的水平推力。三个数学家进而计算圆顶的推力。按照他们的计算结果，圆顶上有320万罗马磅（约1.08×107牛）的推力还没有得到平衡，他们建议在圆顶上增设铁箍。

这个时期，人们对于在工程技术中利用数学工具还很陌生，对于这样的新事物甚至抱有反感。数学家们的报告发表以后引起了一片怀疑和非难之声：“米开朗琪罗不懂数学，不是造出了这个圆顶嘛！”“没有数学，没有这种力学，建成了圣彼得大教堂，不用数学家和数学，肯定也能把它修复！”“如果还有320万磅的差额，圆顶根本就盖不起来！上帝否定这个计算的正确性。”等。

怀疑和非难如此强烈，于是又请来著名的工程师兼教授波来尼（Giovanni Poleni，1685—1761）再作研究。他表示：按三个数学家的计算，整个圆顶连柱墩和扶壁都要翻动了，而这是不可能的。他认为裂缝产生于地震、雷击等外力的作用和圆顶砌筑质量不佳、重量传递不均匀等原因，但结论仍是增设铁箍。1744年，圆顶上增设了五道铁箍。

当时拱的理论还没有成熟，计算变形的方法还很原始，实际上尚不具备正确分析圆顶破坏原因的理论基础，那三位数学家的计算建立在错误的假设之上，不符合实际情况。尽管如此，他们的工作在建筑史上仍是有意义的——解决工程问题不再唯一地依靠经验和感觉了，用力学知识加以分析，通过定量计算决定构件尺寸的尝试已经开始，这是对传统建筑设计方法的一次突破。16世纪文艺复兴时期由建筑师按艺术构图需要决定的教堂圆顶，到了18世纪，受到用力学和数学知识武装起来的科学家的检验，这件事本身就预示着建筑业不久即将出现重大变革。

圣彼得大教堂的穹顶是在建成150年后才进行力学分析和计算的。不久以后，巴黎建造另一座教堂时就前进了一步：在建造过程中，就引入了对结构的科学实验和分析计算。

1757年，法国建筑师苏夫洛（Soufflot，1713—1780）在设计圣日内维埃教堂（Sainte Genevieve，又名Pantheon）时把穹顶安放在四个截面比较细小的柱墩上，这个方案引起了争论。为了判断柱墩截面是否适当，需要了解石料的抗压强度。工程师高随（Gauthey，1732—1806）为此专门设计了一种材料试验机械，对各种石料样品做了试验，结论是柱墩截面已经够用，甚至还能支承更大的穹顶。高随把他的试验数据同一些现有建筑物中石料承受的压力相比较，发现现有的石造房屋的安全系数一般不小于10。但是，圣日内维埃教堂建成时，在拆除脚手架之后，立即发现了明显的裂缝。高随对此又作了深入的调查，并第一次对灰浆做了压力试验，结果证明裂缝是因施工质量不佳，降低了砌体强度而引起的。这座教堂的石墙上使用了铁箍和铁锔，高随对铁条加固的石砌过梁做了受弯试验。在房屋的设计阶段科学实验开始发挥作用。这也表明，重大的建筑工程需要由建筑师同工程师配合来完成。

不过，在建筑中引入力学计算和实验的必要性要为多数人所认识还得有一个过程。直到19世纪初，还有人公开对建筑与科学的结合大泼凉水。1805年巴黎公共工程委员会的一个建筑师宣称：“在建筑领域中，对于确定房屋的坚固性来说，那些复杂的计算，符号和代数的纠缠，什么乘方、平方根、指数、系数，全都没有必要！”（C.F.Viel，De l'impuissance des mathematiques pour assurer la solidite de batiment，1805）1822年英国有个木工出身的工程师甚至说：“建筑的坚固性同建造者的科学性成反比！”

传统和习惯势力是顽固的。但科学方法还是渐渐被人接受，取代了传统的做法。

3.4.3 工业革命与结构科学

18世纪后期，英国首先开始工业革命，到19世纪，工业革命浪潮遍及资本主义各国。前一时期，力学及其他自然科学由于工场手工业的需要而得到发展，反过来又为建立机器工业作了准备。工业革命后，机器生产及各种工程建设要求把科学成果广泛应用于实际生产之中，同时提出了大量的新课题，促使力学及其他自然科学迅速向前发展。

在西欧和美国，工厂、铁路、堤坝、桥梁、高大的烟囱、大跨度房屋和多层建筑如雨后春笋般建造起来。工程规模愈来愈大，技术日益复杂。在19世纪，铁路桥梁是工程建设中最困难最复杂的一部分，它对力学和结构科学的发展有突出的推动作用。

迅速蔓延的铁路线，带来了大量的建桥任务，英国在铁路出现后的70年中，就建造了2500座大小桥梁，有的要在宽深的河流和险峻的山谷间建造。为了减少造价昂贵、施工困难的桥墩，桥的跨度不断增大。原有的桥梁形式不再适用了，必须寻找出自重轻而能承受很大荷载的新的结构形式。

早期的铁路桥梁史上，有着一系列工程失败的记录。1820年，英国特维德河上的联合大桥（Union Bridge，长137米）建成半年后垮了。1830年，英国梯河上一座铁路悬索桥，在列车通过时桥面出现波浪形变形，几年之后裂成碎块。1831年，英国布洛顿悬索桥在一队士兵通过时毁坏了。1840年，法国洛克·贝尔拉赫悬索桥（Roche Bernard Bridge，长195.5米）建成不久，桥面被风吹掉。1878年，英国泰河（Tay River）上的铁路大桥（共13跨，其中的几跨跨度为75米），通车一年半后，当一列火车在大风中通过时，桥身突然破裂，连同列车一起坠入河中。失败教训了人们：必须深入掌握建筑结构的工作规律。

以前，桥梁和其他大型工程通常是由国家和地方当局或公共团体投资建造的。资本主义经济发展后，大多数工程，包括大型铁路桥梁在内，往往是个别资本家或他们的公司的私产，资本家迫切要求减少材料和人力消耗，尽量缩短工期，以最少的投资获取最大的利润，尽一切努力防止工程失败而招致严重的损失。工程规模越大，投资越多，工程一旦失败，将给资本家带来难以承受的巨大损失。古代埃及的法老和罗马的皇帝们，在建造金字塔和宫殿时，可以毫无顾惜地投入大量奴隶劳动；中世纪的哥特式教堂，是不慌不忙建造起来的，盖一点，瞧一瞧，不行再改，一座教堂在十几年内建成算是很快的，有的一拖就是几十年、上百年。近代资产阶级不能容忍这种做法。它要求在工程实施前周密擘画，精打细算，不允许担着风险走着瞧的干法。这样，工业革命以后，在工商业资产阶级的经济利益的推动下，结构分析和计算日益受到重视，成为重要的工程设计中必不可少的步骤，当缺乏可靠的理论和适用的计算方法时，要进行必要的实验研究。

恩格斯曾指出，资产阶级没有科学是不行的。没有科学，近代工业就建立不起来。1809年，当了皇帝的拿破仑亲自到法国科学院参加科学报告会。这位东征西讨的皇帝忽然对薄板的振动实验发生了兴趣。听完实验报告，他还向科学院建议，用悬赏的方式征求关于板的振动理论的数学证明。他的目的是鼓励科学家们用科学成果为正在发展中的法国工业服务。

工业和交通建设怎样促进当时工程结构科学的发展，可以从当时一位著名工程师的一段话中得到生动的说明。1857年，三弯矩方程的创立者之一，法国的克拉贝隆（Clapeyron，1799—1864）在向科学院提交的论文中写道：“铁路方面的巨大投资，给予结构理论以热烈的推动，因为它经常使工程师们必须去克服一些困难，而在过去几年，他们在这些困难面前，还自认是无能为力的。”接着，他在论文中提出了当时迫切需要的连续梁的计算方法。

3.4.4 几种结构类型计算理论的发展

总的说来，17和18世纪，人们主要是研究简单杆件（即梁或柱）的问题，其主要理论和计算方法到19世纪初已经大体完备了。后来，由若干杆件组成的杆件系统成为重要的研究对象，形成结构力学的主要内容。从建立连续梁和桁架理论开始，结构力学于19世纪中期从力学中划分出来，成为一门独立的工程学科。

到19世纪末期，材料力学和结构力学达到的成果，使人们掌握了一般杆件结构的基本规律和工程中实际可用的计算方法。下面就以房屋建筑中几种结构类型，即简单梁、连续梁、拱、桁架及超静定体系为例，稍为具体地介绍人们怎样在实践—理论—实践的反复循环中，一步步由浅入深、去粗取精，从感性认识达到理性认识的发展过程。

1.梁

梁的使用很早也很普遍。梁是一种很简单的结构，但是实际上，梁的工作状况和它内在的受力规律却是经过了很长的时间和曲折的途径才逐步揭露出来的。

《墨经》上有关于梁的性能的初步描述：“衡木加重焉而不挠，极胜重也。若校交绳，无加焉而挠，极不胜重也。”（《经说》下）这是把木梁同悬索加以比较，指出它具有抗挠曲的性能。《墨经》很可能是世界上最早论及梁的受力性质的文献。

文艺复兴时期，意大利的达·芬奇开始思考梁的强度问题，他指出，简支“梁的强度同它的长度成反比，同宽度成正比”“如截面与材料都均匀，距支点最远处，其弯曲最大”。达·芬奇还没有论及梁的强度与高度的关系。

17世纪初，伽利略由于造船业发展的需要，着重研究过梁的强度问题。他指出，简支梁受一集中荷载时，荷载下面弯矩最大，其大小与荷载距两支座的距离的乘积成正比。他提出梁的抗弯强度与梁的高度的平方成正比。矩形截面的梁，平放和立放时，抵抗断裂的能力不同，两者之比等于短边与长边之比。伽利略还推导出等强度悬臂梁（矩形截面）的一个边应是抛物线形。伽利略提出了用计算方法来确定梁的截面尺寸和所能支持的荷载之间的关系。可是他在分析悬臂梁的内力时，错误地认为梁的全部纤维都受拉伸，截面上应力大小相同。他把中性轴定在梁的一个边上。

伽利略时期，人们还不了解应力与形变之间的关系，缺少解决梁的弯曲问题的理论基础。

1678年，胡克通过科学实验提出受力体的形变与作用力成正比的胡克定律。他明确地提出梁的弯曲的概念，指出凸面上的纤维被拉长，凹面上的纤维受到压缩。

1680年，法国物理学家马里奥特（Mariotte，1620—1684）经过对木材、金属和玻璃杆所做的大量拉伸和弯曲实验，也发现物体受拉时的伸长量与作用力成正比关系。他在研究梁的弯曲时，考虑弹性形变，得出梁截面上应力分布的正确概念，指出受拉部分的合力与受压部分的合力大小相等。由于第一次引入弹性形变概念，马里奥特改进了梁的弯曲理论。可是，由于计算中的错误，他没有得出正确的结论。

马里奥特从实验中还发现，两端固定的梁所能承受的中央荷载的极限值比简支梁要高出1倍，他指出支座约束影响梁的抗荷能力。1705年，雅各布·伯努利提出了梁弯曲时的平截面假设。

1713年，法国拔仑特（Parent，1666—1716）在关于梁的弯曲的研究报告中，纠正了前人在中性轴问题上的错误，指出正确决定中性轴位置的重要性。他对于梁截面上的应力分布有了更正确的概念，并指出截面上存在着剪力，他实际上解决了梁弯曲的静力学问题。可以顺便提及的是，拔仑特曾提出从一根圆木中截取强度最大的矩形梁的方法：将直径分为三等份，从中间两个分点分别作两垂线与圆相交，便得出ab2为最大值的木梁。但是拔仑特的研究成果没有经科学院刊行，他的公式推导也不易为人看懂，因而当时未受到重视。

又过了六十多年，法国的库仑（Coulomb，1736—1806）——一个从事过多年实际建筑工作的工程师和科学家——于1776年发表了关于梁的研究成果。他运用三个静力平衡方程式计算内力，导出计算梁的极限荷载的算式。他证明，如梁的高度与长度相比甚小时，剪力对梁的强度影响可以略去不计。库仑提供了与现代材料力学中通用的理论较为接近的梁的弯曲理论。

从伽利略提出梁的强度计算问题算起，到1776年库仑提出梁的弯曲理论，这中间经过了138年。

库仑提出的梁的计算方法，当时也没有得到应用。又经过了四十多年，才受到工程师们的重视。到库仑为止所得到的梁的弯曲理论还是建立在一些简化的假定之上，因而是不太精确的。不过后来证明，由此所得到的结果对于一般的短梁来说同实际情况相差并不大，而所用的数学比较简单，这对于一般工程问题是适用的。

19世纪上半叶，许多研究者进一步把弹性理论引入梁的弯曲研究中，发展出精确的梁的弯曲理论。

在这方面，法国工程师纳维（Navier，1785—1838）首先做出了贡献。纳维早期曾以为中性轴的位置无关紧要，而把凹方的切线取做中性轴（1813）。以后他改过来，假定中性轴把截面划为两部分，拉应力对此轴的力矩与压应力对此轴的力矩相等（1819）。最后他正确地认识到：当材料服从胡克定律时，中性轴通过梁的截面形心（1826）。他纠正了自己原来的错误。

纳维在1826年的著作中指出，最主要的是寻求一个极限，使结构保持弹性而不产生永久变形。他认为导出的公式必须适用于现有的十分坚固的结构物，这样才能为建造新的结构物选定适当的尺寸。他实际上提出了按允许应力进行结构设计的原则。纳维还指出，要说明某一材料的特性，仅得出它的极限强度还不够，还需说明其弹性模量。弹性模量的概念过去已为汤姆士·杨提出过，但纳维得出了这个概念的正确定义。纳维导出了梁的挠曲线方程。他又研究出一端固定一端简支的梁、两端固定的梁、具有三个支座的梁以及曲杆弯曲等超静定问题的解法。至于梁不在力所作用的同一平面内弯曲和梁弯曲时的剪应力问题，不久由别人解决了。

法国工程师和科学家圣维南（Saint-Venant，1797—1886）在1856年提出了各种截面棱柱杆弯曲的精确解，并进一步考虑了弯曲与扭转的联合作用。除了截面上分布的应力，他还计算了主应力和最大应变，并第一次对梁弯曲时横截面形状的变化做了研究。他还研究了梁中的剪应力。圣维南在梁的弯曲方面做出了新的重要贡献。

圣维南关于梁内剪应力的解决只限于几种简单截面形状。俄国工程师儒拉夫斯基（Д.И.Жypaьcкий，1821—1891）在建造铁路木桥的实践中，发展了梁弯曲时剪应力的理论，并提出组合梁的计算方法（1856）。

对一般结构工程的应用来说，梁的理论和计算方法，在19世纪中期已经成熟。但在弹性理论范围内，研究还在继续深入。

2.连续梁

对连续梁的科学研究开始于18世纪后期，它随着钢铁材料在桥梁上逐渐得到广泛应用而发展起来。距今二百多年前，欧拉开始分析连续梁时把梁本身看作绝对刚体，而把支座看成是弹性移动的。他没有能够得出正确的结果。但欧拉指出只靠静力平衡条件，不能解决连续梁问题，点明了问题的性质。

19世纪初，德国工程师欧捷利温（Eytelivein，1764—1848）改变分析方法，把连续梁看作放在刚性支座上的弹性杆，得出双跨连续梁在自重和集中荷载下支座反力的计算公式（1808）。但欧捷利温的公式十分繁杂，不能在实际中应用。1826年，纳维在这个问题上也采取了与欧捷利温相同的方法。两人都是通过最困难的途径寻求解答，然而大量的铁路桥梁和其他工程任务迫切需要找出简捷与完善的计算方法。前面已提到过的英国不列颠尼亚桥的兴建（1846—1849）就是一个例子，尽管设计人之一曾按纳维的方法研究过连续梁，但是实际上还是不能做出计算。最后仍是按简支梁模型的实验数据来决定这座四跨连续梁的管桥结构尺寸。这是不得已的办法。

正当英国不列颠尼亚桥接近完工的时候，在欧洲大陆上，解决连续梁计算问题的三弯矩方程出现了。它像许多发现和发明一样，也不是一个人，而是由许多人几乎同时提出来的。

1849年，法国的克拉贝隆在重建一座桥梁时，研究了连续梁的计算问题，对于n跨的连续梁，他列出了2n个方程组和2n-2个补充方程，计算仍然繁难，但其中包含着新方法的萌芽。8年后，克拉贝隆在论文中提出了三弯矩方程（1857）。

1855年，另一个法国工程师贝尔托（Bertot）发表简化的三弯矩方程，同时期另外一些结构著作如1857年巴黎出版的《钢桥结构的理论与实际》（L.Molinos与C.Pronnier）和德国斯图加特出版的《桥梁结构》（F.Laissle与A.Schübler）等书中也有类似的方法。德国工业学院教授布累塞（J.A.C.Bresse，1822—1883）进一步完善了连续梁理论（1865）。不久，德国工程师摩尔（O.Mohr，1835—1918）提出三弯矩方程的图解法（1868），使工程设计时有了简便的计算方法。

连续梁计算方法建立后，人们回过头去对已建成的不列颠尼亚桥加以检核。莫尼诺斯和曾朗尼尔对该桥进行计算，算出它上面各处的最大应力（此处对当时数据不予改动，但应指出，磅力/英寸2为非法定单位，它与法定应力单位帕的换算关系为：1磅力/英寸2=6894.76帕）：第一跨中央4270磅力/英寸2，第一支座上12800磅力/英寸2，第二跨中央7820磅力/英寸2，中央支座上12200磅力/英寸2。克拉贝隆指出，如果改变钢板厚度，加强支座，可以改善桥的结构。

19世纪后期，连续梁的计算也比较完善了，在实际工作中可以很快求出不同的连续梁在各种荷载作用下的弯矩、剪力和挠度，并有足够的精度。

3.拱

拱的实际应用不仅历史悠久，而且早就达到了很高的水平。古代罗马人是运用这种结构形式的能手，西欧中世纪哥特式教堂中的拱券结构更是非常精巧，至今令人惊叹不已。中国隋代的赵县大石桥跨度37.5米，是世界最早的敞肩石拱桥。

但是人们对拱的理解却长期停留在感性的阶段。古代阿拉伯谚语说：“拱从来不睡觉”。15世纪末达·芬奇还这样描述拱的工作原理：“两个弱者互相支承起来即成为一个强者，这样，宇宙的一半支承在另一半之上，变成稳定的。”（转引自拉宾诺维奇：《建筑力学教程》第2卷第1分册，高等教育出版社1956年版，第275页）意大利文艺复兴时期的建筑师和建筑理论家阿尔伯蒂（L.B.Alberti，1404—1472）认为拱是彼此支承的楔块体系，楔块相互挤压，而不由任何东西连结。他认为半圆拱是一切拱中最强的。这个观点，在长时间内支配着人们对拱的看法。

17世纪末胡克开始分析拱的受力性质。他提出拱的合理形式应和倒过来的悬索一致。18世纪初，法国建造大量的公路拱桥，工程师们为建立拱的理论而努力。第一个用静力学来研究拱的是拉耶尔（Lahire，1640—1718），他证明，如果各楔块间完全平滑，则半圆拱不可能稳定，是胶结料防止了滑动才得以稳定。这时有人对拱的破坏进行模拟实验，发现拱的典型破坏是由于接缝张开而断裂为四个部分。1773年，库仑指出要避免拱的破坏，不但需要防止滑动，还要防止破坏时的相对转动。他计算出防止破坏所需的平衡力的极限值，但没有定出拱的设计法则。

法国工程师们继续对拱做大量实验和观测，证实了库仑的观点。但是困难在于求定断裂截面的位置。

19世纪初，克拉贝隆和另一法国工程师拉梅（M.G.Lame）在俄国工作，他们为建造圣伊隆克教堂的穹顶和筒拱进行研究。他们提出一种求定破坏截面的图解方法（1823）。接着纳维研究拱的应力分布问题，提出支座底面尺寸的计算方法（1826）。

拱临近破坏时张开的裂缝有如一个铰点，由此引起一种想法：为了在工程中消除这种铰点位置的不确定性，可以预先在拱内设置真正的铰点。这样就出现了三铰拱的设计。1858年出现了在桥墩处有铰的金属拱桥，1865年出现了在每个支座和各跨中央设有铰的拱桥。1870年甚至还出现过设有铰的石拱桥，方法是在墩座处和拱顶点埋置铅条。不过，三铰拱桥并没有广泛使用，拱式桥梁中较多的还是超静定的双铰拱。三铰拱和三铰刚架后来多用于大跨度房屋中。

当弹性曲杆的研究有了进展以后，法国的彭西列特（Poncelet，1788—1867）指出，只有将拱当作弹性曲杆，才能得出精确的应力分析。可是工程师们向来认为石拱由绝对刚体组成，与弹性理论无关。又经过许多实验研究，包括奥地利工程师与建筑师学会一个专门委员会所做的大量实验之后，人们才逐渐相信弹性曲杆理论对于决定石拱的正确尺寸有重要意义。德国的尹克勒和摩尔等人把这个理论应用于拱的分析。尹克勒讨论了双铰拱和固端拱，提出关于压力线位置的尹克勒原理（1868），摩尔提出了分析拱的图解方法（1870）。俄国高劳文（X.C.Гoлoвин，1844—1904）分析拱的应力与变形，给出了固端拱的计算。他发现拱内还有剪应力和径向作用的应力，但又证明近似解与精确解之差不大于10%~12%，因而在实际应用中是可行的（1882）。

19世纪末钢筋混凝土出现后，拱的理论研究进入了一个新的阶段。

4.桁架

用多根木料构成屋架和其他构架，以跨越较大的空间，这是古代已有的结构形式，不过，无论在中国或外国，古代的屋架和其他杆件体系大都是组合梁的性质，属于梁式体系。其中的腹杆，主要起着把横梁联系在一起的作用。中国古代工匠对于三角形的稳定性大概是了解的。但是，在建筑历史上，三角形结构时而出现，时而又消失了。一般说来，古代的屋架同现代桁架有很大差别。

现代桁架及其理论是在建造铁路桥梁的过程中发展起来的。铁路刚出现的时期，西欧国家常用石头或铸铁的拱桥通行火车；而在美国和俄国，在人烟稀少的地区，则常用木料建造铁路桥。为了适应火车通行和加大跨度，这类桥梁的形式从袭用旧式木桥逐渐走向创新，出现过多种多样的木桥结构形式。钢桥代替木桥以后，杆件截面变小，结点构造简化了。金属材料的优良性能更促进了对杆件体系的分析研究。19世纪中期，在美国和俄国出现了初步的桁架理论。1847年，美国工程师惠泼（S.Whipple，1804—1885）在其所著的《论桥梁建造》（An Essay on Bridge Building）中提出静定桁架的计算办法。同一时期，俄国儒拉夫斯基在建造木料铁路桥时提出了平行桁架的分析方法，进一步又研究过复杂桁架的计算，于1850年提出桁架分析的论文。

美国的工程师在实践中有许多大胆的创新，但往往满足于用自己的发明取得专利，对理论研究常常不够重视。因此，桁架理论的进一步发展主要仍在欧洲。

惠泼和儒拉夫斯基在求杆件内力时采用的是节点法。德国工程师施维德勒（J.W.Schwedler，1823—1894）又提出了截面法（1851）。而后库尔曼（T.K.Culmann，1821—1881）和马克斯威尔（C.Maxwell，1831—1879）介绍了分析桁架的图解方法。到19世纪70年代，这些方法经过完善和简化已足以计算当时所用的一般静定桁架。杆件和结点数目不多、图形简单、用料经济的静定桁架在实际建设中逐渐被采用。

人们进而研究复杂的超静定桁架。儒拉夫斯基提出过多斜杆连续桁架的近似计算。各国的工程师和科学家如德国的克列布希（A.Clebsch，1833—1872）、马克斯威尔、摩尔，意大利的卡斯提安诺（A.Castigliano，1847—1884）和俄国的喀比杰夫（B.Л. Kиpпичeь，1844—1913）等，为超静定桁架的计算奠定了理论基础。到19世纪80年代，人们已能用比较精确的方法计算这种结构了。

对于空间桁架，德国天文学教授穆比斯（A.F.Mobius，1790—1868），在19世纪30年代曾作了一些探讨，但其著作多年未被人注意。在实际工作中，空间桁架的计算工作极为繁复，因而在很长一段时间内很少实际应用。19世纪末期，人们提出了多种空间桁架理论。德国工程师虎勃（A.Fopl，1854—1924）做了许多基础性工作，并于1892年出版了《空间桁架》一书，他曾设计建造过莱比锡一个大型商场的空间桁架屋盖（1890年前后）。

先前，人们为了简化桁架计算，都把结点假定为理想铰。可是实际的结点却总是刚固的，杆件除受轴力外，还有少量的弯矩。考虑弯曲应力的影响（即桁架次应力问题），属于困难的高次超静定问题。为解决这个问题，用去了数十年时间。1880年有人提出过非常复杂的难以实际应用的解法。1892年摩尔提出了较为精确的近似解法，在工程中得到应用。

现在的桁架研究主要是对给出的桁架计算其内力问题，更困难的也是最需要的，是如何直接设计出最佳的桁架，如在一定荷载组合及特定条件下，直接设计出重量最小、构造最简单的经济桁架来。这个问题在现代的“最优设计”研究中才逐步得到解决。

5.超静定体系

我们从常识中就可以知道，在结构上多使用些材料，多用些杆子和支承件，把结点做得刚固些，总是有利的。可是这样一来，结构就成为超静定的了。对于古代留下的许多建筑物，即使应用今天的力学和结构知识去加以计算，也还会感到相当的困难，有时甚至于不可能。在古代，人们没有这样的困难，因为当时盖房子只凭经验和定性的估计，根本不做定量计算。

在19世纪，当超静定结构的理论和计算方法还没有发展到能够应用的时期，人们在桥梁中首先使用的是静定桁架，即把那些从静力平衡条件看来是“多余的”联系从结构中去掉，使之可以用静力平衡方程比较容易地计算出结构的内力。

静定结构图形简单，结点和杆件较少，用料节省。起初，那种简单、纤细、轻巧的结构同历来关于结构坚固性的概念相抵触，曾使许多人感到惊讶和怀疑。

静定结构虽有一些优点，但它们并不是最完善的。连续梁就比多跨简支梁节省材料。用于铁路桥梁上，连续梁能减少火车从一跨驶上另一跨时的冲击。静定结构不允许任何一个支座或杆件的破损，而超静定结构一般不至于由此而引起十分严重的破坏。在静定结构中，有时为了保持静定的性质，有意设置了铰点、可动支座以及隔断体系的特殊接缝，凡此种种，增加了构造和施工的复杂性。再以超静定的刚架来说，由于结点的刚性，杆件数目得以更加减少，弯矩比相应的简支梁架减少许多。刚架体系的连续性保证了各部分的共同作用，使之成为更经济的结构形式。总之，从生产的观点看，超静定体系有更大的经济性和更广泛的应用范围。

实际上，严格地说一切工程结构都是超静定的。所谓“静定结构”，只是在设计中进行一定的简化，并抽象成计算简图后才是静定的，而实际结构物仍是超静定的，因此按超静定体系分析计算更符合实际状况。

人们在静定结构分析的基础上努力解决超静定体系的理论和计算问题，先是得出一个个具体问题的个别解决办法，进而找出关于超静定体系的普遍性理论和计算方法。

1864年，马克斯威尔提出解超静定问题的力法方程。1879年，意大利学者卡斯提阿诺论述了利用变形位能求结构位移和计算超静定结构的理论。接着摩尔发展了利用虚位移原理求位移的一般理论。

采用有刚性结点的金属框架，特别是后来的钢筋混凝土整体框架的大量应用，促进了对刚架和其他更复杂的超静定结构的研究。从19世纪末到20世纪初，新的计算理论（如位移法、渐近法等）陆续研究出来。

结构科学中另外一些较复杂的问题，如结构动力学、结构稳定等，到20世纪陆续有了比较成熟的结果。

从伽利略的时代算起，到19世纪末，在近三百年的时期中，经过大约十代人的持续努力，在生产实践的基础上进行大量的科学研究，得到的理论又回到生产实践中去，经过无数次循环往复，人们终于掌握了一般结构的基本规律，建立了相应的计算理论。在结构工程方面，人们从长达数千年之久的宏观经验阶段进到了科学分析的阶段。

从19世纪后期开始，用越来越丰富的力学和结构知识武装起来的工程技术人员，获得了越来越多的主动权。科学的分析计算和实验，把隐藏在材料和结构内的力揭示出来，人们可以预先掌握结构工作的大致情况，计算出构件截面中将会发生的应力，从而能够在施工以前做出比较合理的经济而可靠的工程设计。不合适的不安全的结构在设计图纸上就被淘汰了，工程中的风险日益减少。必然性增多，偶然性减少。

过去，在几十年、几百年甚至上千年中，建筑结构变化很少。现在，人们掌握了结构的科学规律，就能够大大发挥主观能动作用，按照生产的需要，有目的地改进旧有结构，创造新型结构。在19世纪和20世纪中，新结构不断产生，类型之丰富，发展速度之快，是以前所不能设想的。

工程结构成为科学，在这个领域中，人们获得愈来愈大的自由。这是近代建筑事业区别于历史上几千年的建筑活动的一个重要标志，是建筑历史上一次空前的伟大跃进。

3.5 房屋跨度的跃进

建筑的跨度是建筑技术发展水平的重要标志之一。公元124年建成的罗马万神庙，有一个用砖石和天然混凝土造出的直径达43.43米的圆穹顶。这座建筑完整地屹立至今，令人惊叹。到19世纪以前，在一千六百多年的长时期中，万神庙一直是世界上跨度最大的建筑。16—17世纪，罗马教皇在建造罗马圣彼得大教堂时曾企图超过万神庙的跨度，结果仅仅赶上而已。

19世纪工业、交通的发展和城市里密集的人口，提出了增加建筑跨度的要求。而19世纪大跨度桥梁的建造为此做了技术上的准备。

19世纪的大跨度建筑主要出现在铁路车站和博览会展场这两种类型中。

早期的铁路车站往往造有一个站棚，将停站的列车、来往的旅客以及接人送货的马车统统覆盖在一个屋顶之下。随着铁路运输的发展，这种站棚也需要越来越大的跨度。这种做法今天看起来似乎没有必要，但在19世纪却几乎是火车站建筑的常规。一方面，大概是因为早期的火车内部狭窄，旅客的行李什物放在车顶上（如同现今长途公共汽车那样），在站上装卸时需要有所遮盖；另一方面，当时车站规模不大，有可能将火车和站台都包容在一个屋顶之下。

这种站棚起先是用木屋架，19世纪中期，木架站棚单跨最大做到32米。然而木屋架在火车头喷出的高温烟气下容易着火，在水蒸气侵蚀下又易腐朽，后来就改用铁和钢的屋架，跨度可以更大。1849年利物浦的一个车站采用铁桁架，跨度达到46.3米，超过了罗马万神庙。1868年伦敦的一个车站站棚，采用铁的拱形桁架，跨度达到74米。1893年美国费城一个火车站的站棚跨度达到91.4米。一个比一个大。至今在欧洲和美国一些大城市里还保留着这类跨度很大的站棚，有的仍做火车站用，有的已改作他用。

车站站棚跨度的增大，一方面反映车站规模的扩大，另一方面也带有商业竞争的因素，这在美国最为显著。美国铁路公司为了提高自己的声誉，常常争相建造“美国第一”“超过欧洲”或“世界最大”的车站。在平行建造铁路线的公司之间，这种竞赛更为突出。

站棚愈大愈长，造价愈昂贵，机车排出的烟气更不容易从站内排出。火车车厢改进以后，人们认识到，火车本身不再需要遮盖，只要在各个站台上分散建造小型站台雨罩即能满足需要，既经济又灵活。于是19世纪建造大跨度火车站棚的浪潮到20世纪初就迅速消逝。然而这一度兴盛的建筑形式确实曾经推动了大跨度建筑的发展。

时常需要大跨度空间的另一建筑类型是博览会展场。1851年伦敦水晶宫的单个跨度并不大，最大的一跨仅21.6米。随着结构科学的进步和工程师作用的发挥，水晶宫以后的大型博览会的建筑跨度逐渐加大。1855年巴黎万国工业博览会采用半圆形拱式铁桁架，跨度达到48米，是当时世界上跨度最大的建筑物，它一直使用到1897年才被拆除。

进入20世纪以前，人类建造的跨度最大的建筑是1889年巴黎博览会的机器陈列馆。它运用当时最先进的结构和施工技术，采用钢制三铰拱，跨度达到115米，堪称跨度方面的大跃进！陈列馆共有20榀这样的钢拱，形成宽115米、长420米，内部毫无阻挡的庞大室内空间。那些钢制的三铰拱本身就是庞然大物，最大截面高3.5米，宽0.75米。而这些庞然大物在与地相接之处又几乎缩小为一点，它们好像芭蕾舞演员一样以足尖着地，又轻盈地凌空跨越115米的距离。机器陈列馆的墙和屋面大部分是玻璃，继伦敦水晶宫之后又一次造出使人惊异的建筑内部空间。这座陈列馆由康泰明（Victor Contamin，1840—1893）等三名工程师设计，建筑师都特（F.Dutert，1845—1906）配合。该陈列馆于1910年被拆除。

3.6 房屋高度的跃进

人们很早就幻想着把房屋造得高些再高些，许多人想象过耸入云霄的高楼大厦，但在19世纪以前，由于建筑材料和技术的限制，也由于那时候社会生活还没有使用非常高的房屋的实际需求，所以实际使用的房屋极少有超过五六层的。中国山西应县木塔（1056年建成）底层直径30.27米，高66.67米，最上一层直径仍有19.34米，各层都能容纳许多人在其中活动，是历史上一座罕见的名副其实的木构高层建筑。欧洲中世纪石造的哥特式教堂建有很高的钟楼，最高的要数德国乌尔姆市那一座，尖顶高161米，但除敲钟外没有更多用途。应县木塔和哥特式教堂的钟楼都是少数的例外。

进入19世纪，首先是工业生产的需要，然后是大城市社会生活的需求，促使房屋建筑的层数和高度较快地长上去。

提高建筑层数，在技术上要解决两个问题：一个是房屋结构方面的，另一个是升降设备。

19世纪初期，七八层的纺织厂房和仓库，采用砖墙和铁梁柱的混合结构，提升货物使用简单的蒸汽推动的升降设备。首先在工业建筑中发展起来的这种结构和设备为民用建筑增加层数提供了技术准备。

19世纪后期，资本主义发达国家城市人口增加，大城市人烟稠密，房屋拥塞，用地紧张，地价大涨。而银行、保险公司、大商店、大旅馆为了商业竞争，总要争取在城市中心最繁华也最拥挤的街道两旁占有一席之地，那些地方的地价便特殊地高涨上去。在昂贵的地皮上盖房子的业主，都希望在有限的土地上造出最大的建筑面积，这种经济上的要求进一步推动人们克服技术上的障碍，把那些商业性建筑的层数不断地增加上去。这种情形在美国新兴城市中尤为明显。

用砖石承重墙结构可以建造十多层的楼房。1891年芝加哥建成一座16层的砖外墙承重的大楼——蒙那诺克大楼（Monadnock Building，1889—1891），至今仍在使用。但是这种结构有一些缺点。一是下部墙体太厚，减少了使用面积。蒙那诺克大楼底层外墙厚达1.8米。因为按照当时通行的做法，单层砖外墙厚度为30.5厘米（12英寸），上面每增加一层，底层墙厚要增加10.2厘米（4英寸），墙厚与层数挂钩，使楼房不可能建得过高。其次，砖石承重外墙上面开窗受结构强度要求的限制，不能太大。先前，人们并不要求很大的窗子，伦敦原来还实行过窗子税（window tax），窗子面积愈大，缴税愈多。1850年后废除了这个税法。（Early Victorian Architecture，p.405）在城市商业建筑中，人们需要大窗子。因为在狭窄的街道上的商业办公楼中，窗子小，光线不佳，不利于使用，会降低房间的租金。窗子小，也限制房间的进深不能太大。

19世纪后期，楼房从承重墙的种种限制下解放出来。楼房内部既然可以用铁或钢的柱子和梁取代内墙，那么，只需进一步在房屋外围也设置柱和梁，形成完全的框架结构，由这套框架承受各层楼板和屋面传来的全部荷载就行了。这样，楼房外围便可以开大窗子，其宽度可以从左边这根柱子直到右边那根柱子，高度可以从地板直达天花板。在无窗的部分可砌墙，但它们不起承重作用，只是单纯的围护构件，它们自身的重量也由框架来承受。于是，房屋的高度与墙体没有直接关系，容易向上发展。框架结构房屋的外墙可用各种轻薄材料来做，厚度大为减少，开窗也大为自由。这种结构方式，从基本原理上说，同中国的传统木框架结构相同，而与欧洲长期使用的砖石承重墙体系大相径庭。所以出现全框架结构的建筑是一项有重要意义的发展。1851年伦敦水晶宫是少层的全金属框架结构。1885年，在芝加哥建成一座10层的铁框架建筑——家庭保险公司（Home Insurance Building，Chicago，1884—1885，建筑工程师William Le Baron Jenney）。它的柱子有的是圆形铸铁管柱，有的是锻铁拼成的方形管柱，梁是锻铁制的矩形截面梁。这些构件用角铁、铁板和螺栓联结。大楼采用混凝土筏形基础。家庭保险公司被认为是最早的全框架高层商业建筑。

与此同时，资本主义各国的钢产量迅速增加。价格下跌，性能更好的钢材逐步取代建筑中的铁材。1885年有了辗压法制出的工字型钢。1889年芝加哥最早使用铆钉连结钢结构，质量比螺栓连结好，施工速度加快。

起初，许多人对高层金属框架结构的可靠性不大放心。1888年，纽约第一次建造11层框架结构房屋时，遇到大风雨，人们纷纷赶去围观，看它是否稳固。次年在为纪念法国大革命100周年举办的巴黎博览会中，出现了一座高达300米的铁塔（Eiffel Tower），它是由法国著名工程师埃菲尔（G.Eiffel，1832—1923）负责设计的，故称埃菲尔铁塔。这座铁塔有1.2万个构件，用250万个螺栓和铆钉连结成为整体，共用去7000吨优质钢铁。铁塔耸立至今已一百多年，它已成为巴黎的标志。铁塔虽然不是房屋，但它的建成有力地证明了钢铁框架的优异性能，在19世纪末期预示着建筑向上发展的巨大可能性。

步行上下五六层的楼房使一般人感到吃力，在没有自来水和暖气设备的时期，把水和燃料送上楼也是不小的负担。在没有升降机的楼房中，房间的实用价值和租金与楼层高度成反比，高到一定程度实际上就无法使用了。升降机械的历史也很久远，原来是用兽力和人力驱动，只用在特殊的场合。19世纪前期，改用蒸汽动力，升降机械多用于厂房仓库运送重物。在民用建筑中用来乘人的升降机必须稳当安全。19世纪中期许多人对升降机作了很多改进。曾经有人创制过用水的重量带动的升降机：载人的笼子与水箱挂在滑轮的两边，水箱注水，笼子上升，放水则下降。还有一种利用水压提升的升降机，办法是在楼房底下竖埋一根水管，利用水压使管中的活塞上下往复运动，安置在活塞杆顶上的载人箱笼随之上上下下，这种方式所能达到的高度取决于地下埋管的深度，很受限制，但人们心理上觉得这是安全的办法，因为它有底。水力升降机曾短时间流行过。美国人奥的斯（E.G.Otis）原来开一家小工厂生产铁床，他对蒸汽驱动的货运升降机加以改进，装上保险设施，吊索一旦断裂，升降机立即自动卡住，不致一坠到底。1853年他在纽约“水晶宫”博览会（追随伦敦水晶宫而取名）展出他的机械，并当众割断吊索证明其安全性能。奥的斯公司遂成为著名的升降机公司。应用电力以后出现了电梯。1893年芝加哥世界博览会上展出了最早的商品化的电梯。以后不断改进，无齿导轨取代有齿导轨，电梯速度越来越快。加上给水、排水、供暖、照明和通讯等设备的相应改善，大城市中楼房层数得以迅速增加。1891年芝加哥出现22层的大楼，1898年纽约建成26层的高楼。它们是20世纪摩天楼——超高层建筑的先声。

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[1] 括号里的数据是1851年的实测数据，下同。英尺不是法定计量单位（1英尺=0.3048米），现已废止。