朱尔·布尔代的『太阳柱』方案和埃菲尔公司的方案
埃菲尔面对这些竞争对手的方案,也有着自己的反击。很简单,这么多看似充满创意的方案,其实根本没有在原有的柱式-拱券砖石系统上进行突破,如此纤细的300米砖石高塔,是抗住不住如此巨大的重力和风力荷载的。特别是著名建筑师朱尔·布尔代的“太阳柱”方案,经过埃菲尔的计算,是不可能建起来的。
根据埃菲尔自己阐述,自己的方案,虽说看起起来很简单,但这个外型却是一个经过严密计算后,得出的数学模型。它可以完美的解决高塔建筑的重力荷载和风荷载的问题。之所以选择铁做为主要材料,是因为铁重量轻,抗压抗弯能力强,造价还低,妥妥的理工男思维。
▲关于埃菲尔的讽刺漫画
完美的数学模型
现在我们用尽可能直观形式来阐述下,埃菲尔看似简单的两条曲线是怎么完美解决风力荷载和重力荷载的。
先假定高塔的形状是一个最常规的矩形,长度为10,宽度为1,从上往下分为10等份。当顶部受到力量为1的风力时,根据杠杆作用的放大,顶部第一层的受力为1,第二层的受力为2,第三层的受力为3,以此类推我们我们得到一张简单的受力分析。
但其实风力是具有覆盖性的,除了最顶部承受了力量为1的风力之外,矩形底下的九层也都受到了风力的作用。我们不考虑是随着高度越高风力越大的因素,为了方便计算,我们假定矩形每一层吹来的风力都为1。
那最顶上一层受力为1,第二层受力为(2 1),第三层受力为(3 2 1)……以此类推,我们得到下面这张每一层的受力数据。
我们都有推倒物体的经验,在足够大的水平力作用下,物体会围绕着右下角的点呈顺时针方向倾倒。而这个矩形为什么没有倾倒呢?一方面是因为物体本身具有重量,另一方面是物体左下方的这个点承受住了物体向上的拉力。
对于这个高度为10的矩形来说,前几层的受力非常下小,依靠重力和左边材料的抗拉力,轻而易举的便能抵抗住。但随着矩形越往下受力越大,等超过材料的承受极限之后,物体便会断裂倾倒了。