1800年前后的铸铁结构:工匠时代的建构可能性

远古超萌武士 2015-01-01 00:27:09
[阅读须知]

这并不是一篇全面展示那个时代的文章。因为本文的关注点是那个时代的启发,所以大部分案例都是挑选过的。(比如案例选择首先忽略了以计算为先导,不具有工匠特质的法国实践。其次忽略了当时发展相对落后的德语区实践。再次忽略了仅有屋顶方面贡献的俄国实践。)另外木桁架的发展有机会会另开篇幅。两者结合才是1800年前后工匠时代的全貌。

当时还有另外一个观察角度,就是随着铸铁和软铁的使用,以及计算方法的成熟,而不断推进的现代计算和设计理论的发展。这个是大多数人熟悉的进步线性历史观的写法,这方面已经有诸多著作,只需要翻译,不需要复述。

[前记]

在1800年前后的铸铁时代,理论和计算方法尚未成熟,可随着工业革命的进行,人们必须建设各种不可能有任何历史先例的基础设施。巨大的建设量促使铸铁结构的设计迅速成熟,可工程师作为正式职业却并未马上诞生。在1850年以前,设计师与其叫做“工程师”不如叫做“大铁匠”。他们工匠式的,经验主义的,充满直觉的设计使传统材料的美学和力学潜力被发挥到极致,也使新材料被用在各种出人意料的场合。改进各种设计的英才是石匠,建筑师,甚至是热爱力学计算的农民,那是一个充满想像力的年代。

第一部分概括了1779年到1828年铸铁桥“设计思路”的发展历史,揭示了“受石匠训练和简单计算训练”的工程师们仅仅依靠经验感觉推动设计的发展过程。第二部分概括了短暂的铸铁水道发展史,揭示了“受过石匠和建筑师训练”的工程师Thomas Telford的作品中蕴藏的建构品质。第三部分概括了铸铁对建筑结构体系的影响,揭示了其蕴含的建筑潜力。第四部分简述了19世纪历史背景下铸铁时代结束,以及其启发。


[正文]

第一条主线:铸铁桥的发展 & 工匠思维的延续

在18世纪后半叶,随着英国对铸铁技术的改进,其质量和产量都有大规模提升。在1763年到1794年间,James Watt提高了蒸汽机效率,他的朋友Abraham Darby在继承了父亲的铁厂后,于1776-1779年建成了第一座铸铁桥,Coalbrookdale Bridge。在这之后,因为种种原因,他并未没有改进这个不够完善的设计。

这座桥的设计过程反映出了当时的设计状态。当时人们将铸铁当作一直可塑的石头使用,其设计思路沿袭砖石结构(Mansonry)。没有杆件受力计算,不具备可复制性,设计充满工匠气质。

Eng. Stone Bridge, 1755-1756
Eng. Stone Bridge, 1755-1756

不同方案比对
不同方案比对

Coalbrookdale Bridge, 1779
Coalbrookdale Bridge, 1779

设计后的改进
设计后的改进


后来Thomas Paine希望发展出一种能够可以推广的铸铁桥原型。他在1786年,在费城的Schuylkill河上做了一系列设计(一个木质,一个铸铁,一个熟铁),并于1787年去巴黎推销他的铸铁桥原型,希望赢得一个120米(400ft在当时是天文数字)桥的合同。但他的原型后来在英国建成了5次,跨度大约30米(110ft)。

Thomas Paine的原型从1791年开始一直被Walker家族及其铸铁厂所推广,改进和施工。1796年,在Sunderland河上,Thomas Wilson建造了改进的Paine原型铸铁桥,跨度为72米(240ft)。这座桥设计更加合理,其拱肋(rib)由铸铁铸造的标准模块(voussior block)拼合而成。拱肋较厚,拱的“高跨比”较小,所以拱的曲线就更贴近真实应力曲线。这两个做法都保证了拱的稳定性(当时还没有在拱1/4处加荷载,以验证材料是否覆盖应力曲线的做法)。在填充路面与拱之间的拱肩(Spandrel)为铸铁圆环。在此之后,公司又在多地复制了这个原型,其也影响到了大陆的铸铁桥设计。

Sunderland铸铁桥是一个面向建造的设计,其由施工公司改进,设计和推广。其原型设计也依然沿袭砖石结构(Mansonry)的思路,拱肋石Voussior,拱肩Spandrel等名词都是传统的设计术语。

Sunderland, 1796
Sunderland, 1796


1800年,Thomas Wilson继续为为伦敦Thames河上的大桥提出了一个三跨的铸铁桥设计方案,主跨72米(240ft),基本沿袭了Sunderland里的做法。而Thomas Telford在提出了一系列三跨与五跨的方案后,提出了一个单跨180m(600ft)的方案。Thomas Telford的原始想法是让整个拱桥作为一个整体受力,这体现在其对拱肩(Spandrel)极其密集的设计上。而在这个设计的修改过程中,有专家考虑其可否作为梁桥起效,有专家强调最下面的肋肯定还是作为拱起效,而James Watt(改进蒸汽机的那个Watt)则认为拱肩(Spandrel)杆件应当竖直。Thomas Telford在综合了各个专家的意见之后,提出了改进方案。

在这一系列争论当中可以看出来,当时的铸铁桥的设计并不是一个清晰的,计算先导的过程。评委的讨论充满经验主义特征。比如梁,拱等概念工作机制在一个桥上并未清晰划分,最后的解决方案是混杂的,定性的。而当时对于铸铁桥的计算也仅仅停留在“理论力学”的水准,即可以粗略计算出桥基的受力情况,但是无法定量描述桥梁内部的杆件受力。

Wilson方案
Wilson方案

当时的演算方法
当时的演算方法

Thomas Telford前期方案
Thomas Telford前期方案

1800, Thomas Telford
1800, Thomas Telford

Thomas Telford后期方案细部
Thomas Telford后期方案细部

讨论后的修改结果
讨论后的修改结果


Thomas Telford的改进方案没有实施,但是其交叉网状的拱肩(Spandrel)的设计思路则应用在后面的设计上。比如1812年的Bonar Bridge。而其他铸铁桥设计者也都基本采用了交叉的肩拱设计形式,比如1819年John Rennie设计的Southwark Bridge(最大跨度铸铁桥)。

Craigellachie Bridge_1814
Craigellachie Bridge_1814



在晚期的铸铁中,肩拱呈现出post桁架的雏形。比如1828年的Holt Fleet Bridge,Telford将一半的金属构件改成了拉杆,这意味着他通过经验的积累已经意识到了杆件受力的不同。同时路面与拱在桥中间连在一起,又是一种非常暧昧不清晰的形式,这种形式后来同样出现在Maillart的混凝土桥中。

可以说,Holt Fleet Bridge的设计品质达到了铸铁桥的最高峰。其同时也意味着在一个相对稳定的情况里,靠“工匠思维”推进的设计在相当程度上可以接近以“计算为先导”的现代设计。Thomas Telford这个时代的设计师处在一个两种设计共存的阶段,当计算条件清晰,比如悬索桥时,他们倾向于使用科学的设计方法;而当条件相对模糊,比如铸铁桥设计,他们又可以依靠经验和设计感觉完善设计。而在Holt Fleet Bridge中,既有overlay thought(过多的斜杆),又有analytical thought(变为拉杆),再加上Empiricism thought(拱肋,拱肩的延续性设计)。

Holt Fleet Bridge,1828
Holt Fleet Bridge,1828




第二条主线:铸铁水道 & 结构的建构表达

铸铁水道的设计本来和其他桥梁设计无异,但是因为要封闭结构,这使其出现了出人意料的建构表达效果。1797年Thomas Telford设计的Longdon-on-Tern Aqueduct铸铁桥由铸铁板拼装而成。因为要避免洪水的袭击,所以水道的下面的结构要尽可能的少。Thomas Telford最终采用了类似于梁(girder)的解决方案。但是其受力方式和“平砖拱”完全一致。

Longdon-on-Tern Aqueduct, 1797
Longdon-on-Tern Aqueduct, 1797


在1805年,Thomas Telford又设计了著名的Pontcysyllte水道,这个设计与其说代表了铸铁结构设计的成就,不如说展示了Thomas Telford作为工程师的建筑学修养。熟悉承重的铸铁拱被用铁皮封上,呈现出砖拱的状态。上部共同承重的挡水板延续了1797年的设计,虽然和下面的铸铁拱受力机理不同,但是却构成了统一的表现形态(form of representation)。

Pontcysyllte Aqueduct, 1801
Pontcysyllte Aqueduct, 1801

Pontcysyllte Aqueduct, 1801
Pontcysyllte Aqueduct, 1801


从这两个设计可以看出,Thomas Telford不仅在设计思路上延续了砖石结构的设计逻辑,在建构表达上也追求与砖石结构一致。这样的设计状态在其晚期作品种依然延续,比如1831年的Dean Bridge和Lothian Bridge。Thomas Telford通过砌筑和雕刻的工法,在桥的立面上表达了一个纤细的拱桥立面形象。这些砖石设计的影响,以及建筑化的表达显然于Thomas Telford早年所受的石匠训练,以及作为建筑师的工作经历有关。

1831
1831


Thomas Telford的桥梁设计影响了1826年游历于英国的Karl Firedrich Schinkel。Schinkel在旅行过程中知晓了Thomas Telford的作品,并且特意前往了Menai,Cowney,Glasgow,Edingburgh等地专门拜访其作品。并对Telford所设计的大跨度悬索桥印象深刻(当时德国不仅没有如此跨度的桥梁,甚至都没有悬索桥建成)。

Schinkel1826年的速写,Menai Bridge
Schinkel1826年的速写,Menai Bridge


在Schinkel1831年的桥梁设计中,其线条非常简洁,几乎摒弃了所有装饰,而且对“砖拱”,“砖柱”做了凸出处理。这和他之前古典主义的桥梁设计非常不同。这种对建筑受力关系的突出表达与Thomas Telford在Edingburgh的石桥非常接近。

1831
1831


第三条主线:铸铁时代的建筑结构 & 砖铁结构的建构潜力

早期的铸铁(包括熟铁)在建筑中的应用案例都在法国,早在1667-1668年的Colonnade中就出现了石材中的铁质拉筋。之后在卢浮宫东立面,以及路易XV行宫中的使用更是被多次提及。直到铸铁时代开始后的的Halle au Blé(1808-1812年),甚至Henri Labrouste在1840年代和1860年代的两个图书馆,所有的案例都没有将铸铁作为表现要素。传统美学和砖木建造习惯是所有这些项目的主要影响因素。

但是在工业建筑中,出于防火等考虑(1791年磨坊大火),砖和铸铁被共同使用,并发展出了多层砖铁混合结构,并在之后逐渐发展成了一种源自于工业时代的建构原型。第一个成形的案例是1797年的Ditherington Flax Mill,其中多层厂房的梁和柱为铸铁,楼板为砖拱。就当时而言,这个建筑的窗子尺寸更大,十字细柱使空间更加开敞,砖拱楼板虽然在这个时候还和石楼板没有什么分别,但是其后来的发展使砖楼板空间具有雕塑品质的同时,更平更实用。




砖铁结构在工业建筑中广泛使用,铸铁柱从实心十字发展成空心桶,但并未出现发展出异形构件(这种可能性在20世纪后半叶才再次被想起)。铸铁梁的跨度变大,并且马上因为熟铁局部使用而演化出各种组合结构,但最终被熟铁和钢梁所取代(19世纪后半叶)。在砖楼板方面,一种趋势是更轻更平,并最终被钢楼板替代。这种“柱+梁+平楼板”的框架结构最终成为大规模使用的建筑结构原型,并预示了采用混凝土材料的Domino体系的诞生。摩天楼就是这种建造体系的最好表现。



但当时的砖楼板另一种趋势是更大的灵活性,后来的加泰罗尼亚拱已经可以覆盖各种复杂空间,单向,双向,带天光的楼板,甚至楼梯。虽然1800年前后出现的“柱+梁+砖拱楼板”结构原型虽然后来被淘汰,但其同样蕴含了未被挖掘完毕的建筑可能。比如Kahn和Lewerentz的砖建筑。另外,加泰罗尼亚拱仍然具备建筑潜力。

1826-1830年在Leeds的厂房
1826-1830年在Leeds的厂房






1800年-1830年:铸铁应用的转折期

随着1783年Henry Cort发明了puddling法,熟铁开始被作为建材使用。

在大跨度桥梁方面,随着1800年Thomas Telford在Thames河上铸铁桥方案的搁浅,以及1801年James Finley悬索桥的建成,铸铁拱桥的优势立即消失。在小跨度大荷载桥梁(overbridge和Aqueduct)方面,Thomas Telford具有高度建构价值的Pontcysyllte Aqueduct也成为最后的设计。随着熟铁梁桥的应用,铸铁平拱方案立即被淘汰。铁路使用的overbridge因为事故被禁止新建,而事实上部分铸铁桥一直使用到二战时期,并被证明坚固耐用。小跨度铸铁桥被一直使用到1830年前后,随后也慢慢退出历史舞台。

铸铁和熟铁本来是优秀的“压拉组合”,铸铁柱直到1850年前后仍然在Warren Truss,Whipple Truss等桁架桥中被使用。但随着1840年代铁路桥事故的发生,铸铁被人为禁止在铁路桥中使用。之后随着桁架设计的改变,诸如全熟铁的Pratt桁架的使用,铸铁离开了历史舞台。这其中有铁产品制造商的竞争,也有工程师的不合理设计,但最后铸铁成为大建设过程中的牺牲品。客观的讲,在生熟铁拉压组合的领域,铸铁本可能出现在更多设计中,但是历史的进程总是充满偶然,又不允许假设。

铸铁铸造复杂节点的潜力随着1850年后软铁和钢的应用,桁架理论的发展,金属加工技术的改变而被忽视(注3)。直到1971-1977年,Richard Rogers和Renzo Piano才在Pompidou中心将这种潜力再次挖掘。而20世纪末Calatrava所做的接近骨骼设计的结构,也体现了节点整体成形的优势。不过1850年前后的历史没有给铸铁太多时间。

1801, James Finley
1801, James Finley

1850 Bridge on River Trent
1850 Bridge on River Trent

Pompidou
Pompidou

Calatrava
Calatrava


从线性的历史观出发,铸铁似乎必定被熟铁和钢淘汰,铸铁时代的结构和建筑也注定是进化过程中的不成熟产物,所以不值得关注。对于熟铁,这样的观点或许正确。但是铸铁时代的特殊性在于,这个时期的设计经历着一个从“依靠经验”到“依靠理性”,从“定性”到“定量”,从“工匠”到“专业从业者”的复杂过渡期(注4)(对于同时代的木结构同样如此)。这其中很多脉络当年因为计算,制造,经济等原因而中断,但这并不意味着其在今天没有价值。比如文中提到的Piano,Calatrava,6a architects的例子。但真正从这段历史中得到启发的可能是Conzett。

Thomas Telford晚期铸铁桥中所出现的桁架雏形相当程度上影响了Jürg Conzett的Traversinertobel步行桥设计,其设计中将轴线方向的拉杆改称X形交叉方案,相当程度上是受到了这些铸铁桥的启发(注1)。

Craigellachie Bridge_1814
Craigellachie Bridge_1814

Traversinersteg
Traversinersteg


Thomas Telford的Longdon-on-Tern Aqueduct让人联想到Jürg Conzett设计的Vals公路桥。这种“侧壁受压”的承重方式不同于传统的桥梁设计,其更接近铸铁时代的铸铁水道的设计。

Longdon-on-Tern Aqueduct, 1797
Longdon-on-Tern Aqueduct, 1797



Conzett类似的例子还有非常非常多,几乎Structure as Space里出现的每一个案例都有先例,大部分和木结构相关,所以更适合在木桁架的历史中叙述。

[后记]

有一类相对后进的建筑师和工程师,他们会持有一种“回归历史的”,“强调类比的”,“拒绝线性历史观的”,“相信在每个时代每种场合人们都能发展出最合适设计”的观点。他们会积极将自己接入历史,并且非常清楚该将自己接入哪个时代。这样的例子太多了,Lewerentz,Zumthor,Märkli,Conzett,Miller等等。所以有时候“传承”是一个非常个人化的,主动学习的行为。




注1: Conzett在2011年3月15日在Liechtenstein的讲座中提到19世纪开始英国这种桁架理论诞生前的结构形式是他的设计参考。详见xxx书。

注2: Viollet-le-duc还使用砖表达哥特建筑的力流受力原则,并且影响到了Gaudi的发展。他希望用铸铁将哥特建筑的原则现代化,这本质上和Perret用混凝土将希腊建筑的原则现代化是一样的。

注3: 这种设计当时无法实现,其原因是多方面的。一个重要原因是计算方法的不成熟。直到19世纪后半叶,工程师才发明了计算超静定的算法,处理了固结节点计算。而复杂节点和结构的验证要到20世纪后半叶才得以解决。

注4: 准确的说,这是英美建筑和工程领域的状态。法国1747年建立了桥梁学院,1797年建立了理工学院。而与之相比,英国直到1850年前后才有工程师教育,英国工程师大多靠法国教材自学成才,也更愿意依靠实践经验推进设计(美国更加如此)。由于英国工业发展更早,规模更大,Thomas Telford这样生逢其时,受工匠教育出身,依靠工程经验改进设计的工程师之作品才格外具有研究价值。这也是本研究更多利用英美案例的原因。

参考书籍:

为了这篇,我在英国整整蹲了一个月,看了great west沿线各处桥梁。。。我自己都感动了

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