手繪世界建築結構之旅：史上最有趣的導覽書，環遊世界一周學建築

12個建築結構單元 ╳ 60座經典建物導覽 ╳ 200多幅著名插畫家手繪插圖
結構•建築•旅行！進入建築的世界最詼諧生動、最清晰易讀的圖解書

◆12個單元，一單元介紹一個建築結構的關鍵環節，輕鬆漸進地了解建築原理
◆從人人都熟悉的日常生活物件出發，由簡入繁，以最有趣的方式學習力學知識、認識建築材質
◆大師級建築作品速寫、逗趣的彩印插畫、幽默的文字，具體實例清晰解說，環遊世界的建築旅行

那些令人驚嘆的偉大建築都是怎麼立起來的？
為什麼（好的）小椅凳有三隻椅腳？為什麼卓別林拄著他的拐杖時，不用冒著壓斷它的危險？為什麼當我們站在公車上，張開雙腳比較能保持平衡？為什麼我們騎腳踏車的時候，輪胎不會因為騎士的重量而變形？
這些問題很簡單，但它們的答案背後隱藏的含意，能夠幫助我們了解一些表面看來十分複雜的結構。

當然，若是我們細數這些大大小小的物品，從最平凡到最奇特的：椅子、桌子、盪鞦韆、吊床、一棵樹、一棟辦公大樓、一座人行橋和各式各樣的橋、艾菲爾鐵塔、原子塔……等，我們都有「結構的直覺」，可以輕鬆分辨什麼是穩固的或什麼是不穩固的。
但這個直覺來自我們的既視感，也就是「似曾相識」，而不是基於對結構的認識。

本書藉由初學建築的主人翁與建築導遊的生動對話，搭配童趣的手繪插圖及簡明的注解，引領讀者認識建築結構的概念，飽覽世界經典建物。幽默風趣的解說，穿插大師級建築作品速寫，帶領讀者進行一趟「世界結構之旅」。
藉由這趟建築旅程，我們將懂得結構的運作，了解那些美麗的建築是如何建構起來的，並由此更懂得欣賞這個充滿建築之美的世界。

◎圖解建築的語言 ╳ 手繪結構的法則 ＝ 世界經典建物之旅

→關於作用力與反作用力、力偶與應力……小椅凳也能是一個屋頂或一座橋
→關於巴士、水族箱……從巴黎到布魯塞爾，途經瑞士的阿爾卑斯山
→關於桌子、樹和支承……從威爾斯到蘇格蘭，途經多倫多
→關於紙飛機、鋼筋混凝土殼體……從巴黎到馬德里
→關於樹、鞦韆、腳踏車……從法國到英國，途經委內瑞拉
→關於梯凳、拱架和環狀構件……穿越時空回到過去
→關於梯凳延伸出來的新問題……遊走比利時和法國之間，途中短暫停留中國
→關於不變形正四邊形的新問題和聖安德魯十字……從布魯塞爾到紐約，途經芝加哥
→關於拱和懸鏈線，以及一些建築大災難……從法國到葡萄牙，途經美國和瑞士
→關於船的桅杆、腳踏車車輪……造訪法國、比利時和西班牙
→關於梁與懸鏈線的結合……從維吉尼亞州到法國雷島
→關於馬鞍、帆布摺疊椅凳……經過德國、沙烏地阿拉伯和美國，在布魯塞爾地鐵站結束旅程

米榭•普洛佛斯特Michel Provost

【撰文作者】
工程師，布魯塞爾自由大學（Université libre de Bruxelles）建築學院結構原理教授，對建築領域教學頗有心得。曾主持多項建築研究專案，著有多部探討結構與建築關係的著作。

大衛•阿塔斯David Attas

【協力作者】
工程師，研究員。曾策劃「偉大的工程師」（Prouesses d'ingénieurs）巡迴展。

譯者簡介
路路

遊走在法蘭西和福爾摩沙間的文字工作者。

深信真心渴望某樣東西時，
整個宇宙都會聯合起來幫助你完成。

繪者簡介
菲利浦•德•肯米特Philippe De Kemmeter

作家兼插畫家，獲獎無數，曾出版多部青少年畫冊，如《大象無法一邊奔跑一邊搔癢及其他非洲諺語》（L'éléphant ne peut pas courir et se gratter les fesses en même temps），並與無數報章雜誌合作，包括《法國世界報》（Le Monde）、《巴黎競賽畫報》（Paris-Match）、《電視全覽》週刊（Télérama）及《搖滾怪客》週刊（Les Inrockuptibles）等。

邀請函 一個單字，一種文法，一國語言

第1章 首先來看看結構：所謂的結構是什麼？
第2章 一個關於平衡的問題！：所有事物都需要保持平衡
第3章 來搭一座橋：從一個跨到另一個
第4章 蓋上摺版：建築的波浪頭紗
第5章 力的路徑：壓力之下的力
第6章 遊覽拱、拱頂、穹頂的世界：教堂遺跡
第7章 桁架，連連看！：架起建築的盔甲
第8章 不變形正四邊形的防風斜撐：隨風而逝
第9章 從吊床到金門大橋：一切都連起來了
第10章 纜索網：不可承受之輕
第11章 從張力梁到預力混凝土：強制結合
第12章 從纜索結構到建築纖維：讓我們回到起點……
那麼現在…… 探索世界

索引
延伸閱讀
致謝

∣ 所有事物都需要保持平衡

第2章 一個關於平衡的問題！

關於巴士、水族箱。
我們將從巴黎到布魯塞爾，途中經過瑞士的阿爾卑斯山。

──為了更能夠掌握平衡這個主題，最好的途徑不就是從了解自己的結構，也就是自己的身體開始嗎？如果要用單腳站立，我覺得最好讓自己「呈一直線」！[1]

沒錯，為了讓自己保持平衡，作用力，身體本身的重量，通過身體的重心；反作用力，來自地板的力，兩股力必須完全呈一直線，否則……

──我會跌倒或是只好放下第二隻腳！改用雙腳站立，這樣比較容易！[2]

很明顯地，用兩腳站立，我們可以任意地彎腰，不用擔心失去平衡。當我們彎腰時，身體的重量分別被兩腳分擔。只要身體本身的重量維持在兩腳之間，就不會有問題，否則會大跌一跤……

──所以，只要我快速地將身體的重心移回雙腳，就可以避免跌倒！如果把雙腳分開，我就有更大的空間去控制身體的重心，然後更平穩地彎下腰。[3]

非常正確，支撐底面積越大，越能夠維持平衡。就像一張椅腳越開的小椅凳，就越穩定。為了更貼近真實情況，我們現在要加入一股水平的力。例如：搭巴士的時候，乘客都會受到一股水平力的影響，這股力來自巴士加速或剎車。

──要是巴士開得不快，張開兩隻腳站立，我仍然能維持平衡。哇嗚，甚至可以不用扶著扶手！為什麼我不會跌倒呢？

來自剎車或加速的水平力，被雙腳站在巴士地板所產生的摩擦力抵消。但這些力以身體的重心為起點，產生了力偶。從身體重心到地板的這段距離，就是這力偶的力臂。為了防止摔倒，我們必須維持這力偶的平衡。站立時，張開雙腳比較容易保持平衡，就是因為支撐底面積較大的緣故。[4]

──意思是說，如果巴士上有兩個人體重相同，較矮壯的人會站得比較高瘦的人更穩囉？

很棒的舉一反三！較矮壯的人的重心比較接近地面，產生的力臂較短，也就降低了失去平衡的機率。

──如果巴士開得更快，我就必須抓緊了！

沒錯，因為剎車或加速，水平外力增加，所以我們也要產生一股水平的力，與之抗衡。

──當我的手握緊巴士上的扶桿時，我可以感受到這股力量！[5]要是兩股力無法平衡的話……啪噠！

對，就是這樣。身體會開始移動，直到找到另一個新的平衡。

──我想到另一個例子：火箭。

有意思！在這個例子中，推進器所產生的推力必須大於火箭本身的重量，才能使火箭升空。但兩股力必須呈一直線（火箭的重量，向下的力 ；推進器產生的推力，向上的力），否則產生力偶，會造成火箭失去平衡，然後墜落。

──OK，我懂了。回到原本的主題：身體的平衡，這很有趣，有點像是馬戲團的把戲，但這能幫助我們了解建築嗎？

不僅僅是這樣而已喔！當人們建造一棟建築物時，有時是為了實現一個浩大的平衡，為了使人驚嘆它的巧奪天工和美麗姿態。因此，1889年，巴黎一個名叫艾菲爾的工程師提議，並實現了一座以他為名的鐵塔。這座鐵塔讓許多人驚豔，它的外觀比它的實用性贏得更多讚美。艾菲爾鐵塔「張開四隻腳」，穩定了它的平衡。這樣穩固的支撐底面積也抵擋了來自風的力量。[6]

──風的力量很巨大嗎？

是的，它非常巨大，我們可以從強度和速度來看……舉例來說，風作用在一棟6公尺寬乘8公尺高的房屋立面的力量，大約有3噸。另一個例子是，風作用在一個3公尺高乘4公尺寬的商店櫥窗上時，力會等同於一輛小客車的重量。

──那作用在艾菲爾鐵塔上的風有多強呢？

大約500–1,000噸……

──真是驚人！除了艾菲爾鐵塔之外，還有其他令人驚豔的構造物吧？

沒錯，其他還有許多令人驚豔的建築。尤其是在世界博覽會的時候，很多國家和企業利用這個機會，展現傲人的技術。
為了更了解平衡的觀念，這裡有兩個例子，它們都出自於1958年布魯塞爾世界博覽會。那是在二次世界大戰之後，一個瀰漫樂觀主義的年代。「黃金60年代」展開，什麼事情都可能發生！第一個例子：土木工程館。不過很不幸的是，為了收回這個空間，這座展現極佳平衡的建築物，已經在1970年被炸毀。第二個例子：仍幸運留存的原子塔，目前依然是一座歐洲首都的象徵。

──有些人斷定，有三個原子塔的球體是多餘的。

不，這是一個錯誤的傳言。每一個部分都不可或缺。由每個點延伸而得出的立方體，讓原子塔能以懸空的方式呈現。原子塔本身的重量並不會構成問題，而是參訪旅客進入球體時產生的作用力及風的作用力，造成它不對稱。儘管有三根底部腳柱，但為了確保平衡和限制結構本身產生的力，必須淨空位於頂端球體下方的三個原子塔球體（H），這三個球體不設置與其他球體的任何連結，無法靠近這三個球體。[7]

──只有壯觀的建築物才存在著浩大的平衡嗎？

絕非如此！有些時候，樸實的外表下，也蘊藏著浩大的平衡。在某些情況裡，水平力比風的作用力更重要。例如：水的壓力。

──就像在我的水族箱裡面嗎？[8]

不只存在於水族箱或游泳池，水壩也是如此，那裡蓄存的水可說容量驚人。水壩不僅用來蓄水，還可以發電。

──我懂了。水壩蓄存著大量的水，但依舊要保持平衡。

是的。它的穩定性必須藉由它本身的重量維持，不會滑動，不會傾倒。[9] 為了進一步了解，讓我們來做個實驗：試著滑動及傾倒兩個坐在小椅凳上的人。[10]

──我覺得，坐著小孩的小椅凳比坐著大人的小椅凳更容易滑動。[11] [12]坐著小孩的小椅凳比坐著大人的小椅凳更容易傾倒。[13] [14]

沒錯，讓我們回到水壩。為了不讓水壩滑動，水壩底部與地面的「摩擦力」，必須大於水壓所產生的力。這股「摩擦力」與水壩本身的重量成正比，並取決於水壩與凹凸不平的岩石表面接觸的程度。在水的壓力之下，為了防止水壩崩塌，它本身的重量產生的穩定力偶，必須大於水壓產生的反向力偶。混凝土壩底部的寬度和重量確保了它的穩定性，例如大迪克桑斯壩。利用自身重量來抵抗水的壓力，就是所謂的重力壩。有些混凝土壩是以結構來抵抗水的壓力，我們稱之為拱壩。後面還會再提到這個話題。

──所以說，不管哪一種結構，甚至是艾菲爾鐵塔，都必須同時確保平移平衡與轉動平衡囉？

是的。但以鐵塔的高度來說，它傾倒的可能性要比滑動的可能性高得多！

──說來容易！但我們要怎麼預防呢？

為了改善鐵塔的穩定性，我們可以加寬它的底部或增加它的重量。（這都能夠增加穩定力偶的力臂。）

──所以說，一座很「輕」的鐵塔，就像艾菲爾鐵塔，把四隻腳分開，就會有寬大的底部。

完全正確。如果是一座很重的石頭塔，高度與之相同，它的底部可以比較小，也可以比較細長。

──細長？

我們可以在高度與底部寬度之間，歸納出一個細長比。讓我們來比較布魯塞爾市政廳高塔與艾菲爾鐵塔。布魯塞爾市政廳高塔高出來的部分，高55公尺，底寬8.8公尺，細長比是6.3。[15]艾菲爾鐵塔高300公尺，底寬125公尺，細長比是2.5。[16]

──意思就是，底部一樣寬的話，一座較重的塔可以比較高又細長！

就是這樣。

──越來越清楚了：我們繼續前進！讓我們來看一下，到目前為止，我們學了什麼：
‧顯而易見地，構造必須維持平衡！
‧結構是很多不同元素組合而成，必須實現一項或三項結構功能：搭建、支撐和防風斜撐。
但這些構造的理論，要如何運用在各個不同的建築（橋、建築物……）上呢？

一個構造的功能可能如下：
‧覆蓋、遮蔽、分離出一個活動範圍
‧疊加活動範圍（多層）
‧利用橋梁和高架橋來克服障礙物（河流、山谷……）
‧作為運輸路線（地面上的橋、地底下的隧道……）
首先是搭建的運用，然後當然再與支撐力和防風斜撐連結。
了解搭建的作用，可以幫助我們更認識結構。

──OK，我們出發！一起搭橋去！

【名詞解釋】

˙當一個物體通過重心垂直向下的力超出了支撐底面積，就會開始不平衡。這個支撐底面積是物體與地面上的連結所圈出的範圍。

˙若身體（結構）要保持平衡，所有作用其上的力也都需要保持平衡。

˙要確保一個結構體的平衡，必須確認作用其上的平移力（滑動）平衡且轉動力（傾倒）平衡。

【建物導覽】

˙艾菲爾鐵塔（巴黎）
對很多人來說，艾菲爾鐵塔代表了巴黎，甚至是金屬構造或工程藝術的代表。它於1889年巴黎世界博覽會啟用。雖然這座鐵塔以著名的法國工程師艾菲爾為名，但參與這項工程的工程師還包括努吉耶和柯奇林（兩人都隸屬於艾菲爾公司），並和建築師索維斯特合作。
艾菲爾還有很多著名的作品，如紐約的自由女神像和法國的加拉比特高架橋。艾菲爾鐵塔是一座高聳的金屬建築（使用鋼），高度超過300公尺（含天線共高324公尺），底部平面呈正四邊形，邊長各125公尺。它使用了超過18,000個金屬構件，250萬支鉚釘！鐵塔的四隻塔腳像是四根斜柱，向上互相靠近，最後融合。每隻塔腳都有一個獨立的基礎支撐。它們分別在第一層和第二層，以四根水平桁架連接。第一層上面的拱沒有任何結構的作用，只是裝飾。從尺寸來看，艾菲爾鐵塔算是「輕的」，但它還是有10,000噸重，其中7,000噸是金屬結構的重量。

˙土木工程館（布魯塞爾）
主要由三人合作：凡多塞拉瑞（建築師）、帕杜特（工程師）和莫沙爾（雕塑家）。1958年世界博覽會時，土木工程館和原子塔都在大眾的回憶裡留下深刻的印象。這座長長的懸挑箭形結構，以鋼筋混凝土摺版構成，長78公尺，直直地指向天空；另一邊與之平衡的是一間同樣懸空、以穹頂覆蓋的展覽陳列室。所有的結構都憑靠中央的三腳柱支撐。這座向世人展現比利時土木工程技術的構造物支撐著一座人行橋，橋的下方是一幅浮雕比利時地圖，以展現傲人的成就。當時土木工程館獨排眾議完工，因此也有「力量之塔」的封號。

˙原子塔（布魯塞爾）
一棟建築，也是一座雕塑。原子塔以金屬的立體架構，展示著放大1,650億倍的鐵正方體晶體結構。比利時大型冶金集團希望在1958年世界博覽會中展示它們的工業技術，在這樣的要求下，工程師瓦特凱恩提出這個構想。九個直徑18公尺的球體，表面以三角形鋁板包覆（今改用不鏽鋼），彼此以管連結。三腳柱支撐著下方的球體（圖示I），維持了原子塔的穩定。塔高102公尺，總重達2,400噸。

˙大迪克桑斯壩（瑞士瓦萊州）
位於阿爾卑斯山區，1953–61年興建，目的是提高瑞士的水力發電量。全世界最高且歐洲容量最大的水壩。高285公尺，超過艾菲爾鐵塔最頂層的高度；長748公尺；深度不等，從15公尺到近200公尺。使用了600萬立方公尺混凝土，可儲存4億立方公尺的水，水面面積404公頃。

˙布魯塞爾市政廳高塔（布魯塞爾）
建於1455年的哥德式建築，建築師是凡魯斯布洛克。頂部有比利時守護神天使長聖米迦勒與龍搏鬥的雕像。塔的總高度為96公尺（含雕像）。下半部高度約36公尺，平面呈正四邊形。上半部高度55公尺（雕像以外的部分），共有三層樓。以八根排列成八角形的柱子組成 ，柱徑8.8公尺。這座塔是以當地的石材建造。