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，一眼便能認出埃菲爾鐵塔那經典的標志性形狀。然而，在鐵塔建造期間，藝術評論家們卻對此褒貶不一——聽到這里你也許會感到意外。以下是一些言辭較為激烈的觀點。

在現代人的眼中，埃菲爾鐵塔的形狀既高雅又大方，或許能夠亙古流傳下去。不過在當時的評論家看來，它就像一個畸形的怪物。埃菲爾鐵塔代表了一種新型審美觀。一段時間之后，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。他的審美觀同經濟節約和結構效能緊密相連，利用最少的材料實現最大的效能。他將純粹、高效且精心設計的建筑結構視為一種藝術。

埃菲爾鐵塔背后的和諧定律

針對一系列批評聲浪，埃菲爾是這樣描述其新型審美觀的：

“因為一個人是工程師，他就不會專注于其作品的美，或者不會去追求和創造精致感、堅固性和耐久性嗎？效能和建筑和諧難道是不可兼得的嗎？這個龐然大物有一種魅力，給人以極大的愉悅感，一般的藝術理論是無法做到這點的?！?/p>

埃菲爾的設計初衷是利用最少的材料實現高度和牢固性的目標。埃菲爾鐵塔完美地體現了這一點。埃菲爾并沒有采用立面來隱藏鐵塔的內部結構，而是標新立異地將骨架直接呈現出來。如此一來，鐵塔背后的和諧定律得以揭示，人體骨骼的輕質強度也是由此決定的。

為了理解埃菲爾的天才設計，我們先來解決一個小問題。試想一下，將整個鐵塔熔成一個實心的球體。你認為這個球會有多大呢？（點擊圖片可放大。）

那么埃菲爾是如何設計出一個牢固到能夠抵御大自然的侵襲，同時又和其周圍空氣差不多輕的建筑的呢？

要想回答這個問題，就得理解一些高強度結構，方法就是研究人體內部。通過研究人體骨骼，便能發現埃菲爾鐵塔的一部分設計原理。

人體骨骼的秘密

如果將一塊骨骼切開，你會發現它就像一根長棍面包——外表堅硬，內部卻布滿小孔。外面的骨質叫做“密質骨”，堅硬緊湊，用來支撐大部分的身體重量。內部的骨質卻像海綿，被稱為“松質骨”。這一結構也起著重要作用，用來支撐人體骨骼時常需要承受的壓力和拉力。

現在來放大長棍形骨骼的外殼——密質骨。密質骨由許多被稱為“骨單位”的管狀組織構成，每個骨單位的直徑僅為0.2毫米，從中間伸出一根血管。將這些骨單位內壁放大后，可以看到它們是由一些更微小的“束”構成的，這些“束”叫做“原纖維”。對其中一根原纖維進行放大后，可以看到它們確實是一些纖維束，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。

這種將事物結合起來，利用自相似性物質進行構建的分形[6]方式叫做“結構層次”（structural hierarchy）。人體骨骼的輕質強度正是由于這種結構層次的存在，即管狀體層層包含的結構。（松質骨也是一種具有自相似性的分形結構。假如用電子顯微鏡對一塊松質骨進行觀察，就會發現它看上去就像海綿。）

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將材質最小化的方式，這樣才能夠保證達到一定高度的同時不被自身重量壓垮。竹子的空心管狀結構有效地保證了其自身的硬度。竹子和人體骨骼一樣，由一些極細的管狀組織構成，這些管狀組織由纖維束構成，纖維束則由更為纖細的纖維束組成，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”。

竹子和骨骼本質上都是納米物質，利用結構層次來保證輕質和強度。埃菲爾鐵塔的設計原理與之相似。埃菲爾從竹子和骨骼中得到靈感，將其運用到龐大的建筑中去。

和許多現代建筑一樣，埃菲爾鐵塔利用了一系列“X”形橫梁，也就是“桁架”。借助固有強度和三角結構的穩定性是一種相當高效的建筑設計手段。若對埃菲爾鐵塔的一根桁架進行放大，便會發現它們其實并沒有表面上那么堅固，每根桁架都由一些更小的相似桁架構成。材質內部的小孔比鐵多。這種中空結構成就了鐵塔令人難以置信的輕質性。下次你走過一座橋的時候，請仔細觀察，說不定那座橋也運用了同樣的原理。

風造就的形狀

假如你已經知道如何建造一座輕質型高塔，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作斗爭。為了應對這個問題，其斜坡狀曲線嚴格地遵循了能夠抵抗大風的最佳形狀。

建造一種精心設計的建筑的訣竅在于將力轉移至你希望的位置。埃菲爾深諳此道。鐵塔的形狀具有一種特別的性質，風和鐵塔自身重量的結合力將分散至塔的支架，之后分散至堅實的基座。（用物理學術語來解釋的話，鐵塔的形狀恰到好處，所以風所引發的力矩[7]或者說傾倒趨勢被鐵塔自重的力矩所抵消，從而達到平衡。）

在一次采訪中，埃菲爾對一些藝術批評聲浪進行了回應，解釋了其設計原理。

“在設計鐵塔的過程中，什么現象是我要重點考慮的方面？那就是如何抵抗大風。這么說吧，我相信鐵塔四個外緣的曲率將給人以力量和美感的深刻印象——正如數學計算結果所顯示的那樣?！?/p>

這是我的起重機！

埃菲爾手下的工程師們在理解了力的流動方式之后，將材料分配至最適當的位置，得以設計出最佳建筑。他們所采用的將力的流動具象化的方法和人體骨骼科學具有某種有趣的關聯。達西·湯普森（DArcy Thompson）在其專著On Growth and Form）中對此進行了描述。該書出版于1917年，用長達1000頁的內容對一些支配生物學的數學定律進行了深度分析，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，同時也是圖解靜力學（graphic statics）這種現代力學解析法的開創者。1866年，他偶然間來到了其同事邁耶（Meyer）的解剖室，這位解剖學家當時正專心研究一塊骨頭。之前一直忙于設計一款全新力量型起重機的庫爾曼很快發現，松質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重結構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因素。據說，他當時大喊道：‘那就是我的起重機！”

工程師在觀察一種結構的時候，看到的不只是材質本身，更是起作用的那些力——像是戴上了一副X光護目鏡。這些力分為兩種，將某一物體朝內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物，從桌子、椅子、橋梁到摩天大樓，本質上都是這兩種力的集合。

所以，庫爾曼在設計起重機的時候，利用了其開創的圖解靜力學來標出這些壓力和拉力。下面就是他所畫的圖。

左圖是他當時所研究的起重機的受力圖。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，標志著工程師和解剖學家之間的首次合作。

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

股骨內部之所以以松質骨的方式進行高效排列，是為了確保受力最多的位置恰好是實心的部位，而在沒有力施加的條件下，恰好是中空的部位。在骨骼發展過程中，上述現象會逐漸發生。松質骨會朝著受力最多的方向進行排列、變硬，未受力的部位則發生萎縮，好比風所形成的那些令人嘆為觀止的拱形砂巖。風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，骨骼和力之間的關聯是否具備數學意義上的準確度為人所質疑。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其功能需要，骨骼結構則與受力大小保持一致。

這和埃菲爾鐵塔有什么必然聯系嗎？這么說吧，庫爾曼所開創的針對某一結構的力學分解圖是一種強有力的新工具，將力通過某一結構的方式呈現在工程師們面前，這種方法沿用至今。庫爾曼的一個學生莫里斯·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方面的訓練，從中汲取了靈感。庫爾曼所開發出的、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計埃菲爾鐵塔，實現了材質上的最小化。

因此，當初那些把埃菲爾鐵塔稱為“骨架”的評論家們確實意在侮辱這件藝術品，不過如今看來，卻反而是一種贊美了。每當論及工程學，我們仍能從人體骨骼中受益不少。