结构大师系列——古斯塔夫.埃菲尔
他出生贫寒，17岁时他尚且默默无闻，美丽的富家小姐玛格丽特却与他一见钟情，并不顾家人反对嫁给了他。但天不遂人愿，在他的事业蒸蒸日上之时，玛格丽特却在32岁时病逝了。他悲痛万分，于是他决定建一座“能与妻子对视”的建筑。当建造过程中资金短缺之时，他毫不犹豫地将名下的全部财产都抵押给银行作为工程投资。竣工那一天，他登上了铁塔最高层，以最接近天堂的姿态，对妻子说了“我爱你”，此后终身未再娶。
他就是小i今天要介绍的大师——古斯塔夫.埃菲尔（Gustave Eiffel,1832-1923），被人们称为“用钢铁创造了奇迹的人”。
Gustave Eiffel（1832~1923）
埃菲尔铁塔
1889年，法国大革命100周年，巴黎举办了大型国际博览会以示庆祝。博览会上最引人注目的展品便是埃菲尔铁塔，它是当时席卷世界的工业革命时代的象征。
1887年1月28日，埃菲尔铁塔正式开工。250名工人历时两年竣工。建成后的埃菲尔铁塔高300米，直到1930年它始终是全世界最高的建筑。铁塔为格构式结构，有18038根构件，重达10000吨，施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个。
施工完全依照设计进行，中途没有进行任何改动，其设计与施工之精准在工业高度发达的今天，仍然令人称道。据统计，仅铁塔的设计图纸就有5300多张，其中包括1700张全图。
艾菲尔铁塔包括四个布置在一个正方形四角的格构柱，从最初的54°斜坡上升，向上弯曲，直到相遇，然后铁塔作为一个单一的金字塔形状上升，直到塔顶。塔底拱形并非受力构件，主要起装饰作用。
埃菲尔铁塔的腰身上围绕了一圈文字，每个字母大约60cm高，这个一般在照片里是比较难看出来。这里记载的是72位法国著名的科学家、工程师的姓名（只有姓氏），每面18个人。如：拉格朗日、安培、柯西、库仑、傅里叶这些伴随我们长大的名字。
对于如此高的塔桅结构，风荷载将是其控制荷载。埃菲尔在结构设计上大胆地使用了镂空金属结构，一方面减少了铁塔的自重，另一方面也大大减少了塔身挡风面积。
同时，埃菲尔团队采用图解静力学对塔身外形进行优化，进一步优化其风荷载作用下的结构性能。有趣的是后来美国俄亥俄州肯特州立大学Joseph Gallant在其《埃菲尔铁塔的形式》一文提到，弯曲的塔柱使得同一高度上各点引出的切线交于一点且这一点也恰好在塔体切点以上部分风荷载合力的作用线上，使得最大风荷载产生的倾覆力矩与铁塔自身重量产生的抗倾覆力矩相平衡。
最终，事实证明埃菲尔铁塔在风荷载作用下，塔尖位移最大仅为6-7cm。另外，由于塔是铸铁结构，温度效应明显，受到太阳照射的一侧会膨胀而使得塔尖最多会往远离太阳的方向移动18cm。
埃菲尔铁塔建造过程
1909年的预定拆除日期即将来临，古斯塔夫•埃菲尔大力保卫铁塔，强调其作为物理学和气象学研究的独特价值。最终，铁塔被用作无线电传输塔保留下来。
自由女神像
自由女神像（Statue of Liberty）全名为“自由女神铜像国家纪念碑”，正式名称是“照耀世界的自由女神”，矗立于美国纽约市海港内的自由岛的哈德逊河口附近，被誉为美国的象征。
它是法国在1876年赠送给美国独立100周年礼物，由法国著名雕塑家巴托尔迪历时10年艰辛完成了雕像的雕塑工作，外貌设计来源于雕塑家的母亲。女神右手高举象征自由的火炬，穿着古希腊风格的服装，所戴头冠有象征世界七大洲及四大洋的七道尖芒，左手捧着刻有1776年7月4日的《独立宣言》，脚下是打碎的手铐、脚镣和锁链。她象征着自由、挣脱暴政的约束。
自由女神像重229吨，高46米，底座高45米。如此巨大的雕像，耗资也是巨大的。可令人意外的是，雕像的资金全靠私人募捐所得。除了筹措资金外，困扰巴托尔迪的还有一个巨大挑战，高达93米的雕像如何支撑起来并保证其在海湾边巨大的狂风中屹立不倒？于是巴托尔迪找到了埃菲尔。
埃菲尔决定放弃原有砌体方案，改用铁桁架塔。整座铜像以120吨钢铁为骨架，80吨铜片为外皮，30万只铆钉装配固定在支架上，总重量达225吨。采用铁桁架塔方案使得雕像不必按原计划那样先在选址处建造骨架，而可以在法国完成构件制作与预拼装，再将自由女神像拆解运输到贝德罗岛上重新组装起来。
同时，埃菲尔还使用浸满了虫胶的石棉作为绝缘物，防止蒙皮和骨架间发生电化学腐蚀。
自由女神像内部结构
桥梁
埃菲尔的两个享誉世界的作品可能会让你以为他是一个塔桅专家，其实他最早是作为桥梁专家而享誉世界的，下面小i就位大家简要介绍一下他有代表性的桥梁作品。
波尔多大桥工程
1856年他拿到了他第一个主要的工程委托，就是法国的波尔多加隆河铁道桥，其中多项桥梁施工技术是当时法国乃至国际工程界的创举。1860年，埃菲尔完成了当时法国著名的波尔多大桥工程，将长达500米的钢铁构件，架设在跨越吉隆河中的6个桥墩上。这项巨大工程的完成，使埃菲尔在整个工程界的名声大振。
波尔多加隆河铁道桥（1856）
索尔河桥梁
1869年，他一举完成了法国南部四座巨大的桥梁建筑，其中包括最著名的索尔河上用两座高达59米的铁塔支撑着整个桥梁结构、可以承受山谷强风的索尔河高架桥。这可以说是早先巴黎埃菲尔铁塔的前驱架构。
索尔河桥梁（1869）
杜罗河铁路桥
1876年，他建造了世界上最大的非悬吊式大桥——杜罗河铁路桥，是当时世界上最大的非悬吊式（non-suspension）桥。他的设计因为其透明度、优美、高性价比而获胜。这座桥一直被使用到1991年（共114年）。
杜罗河铁路桥（1876）
加拉比特高架桥
加拉比特高架桥1885年通车，总长565米，总重3587吨。桥梁的实测挠度为8mm，与埃菲尔计算所得的挠度完全一致，在当时的计算条件下，不得不令人叹服。由于特殊的地理条件，桥梁建于河面以上124米高处，建成时是世界上最高的桥，至今仍被安全使用。
加拉比特高架桥（1876）
力学
埃菲尔不仅是世界著名的工程师，他还是一位流体力学学者。前面提到，在他诸多设计中，特别是设计埃菲尔铁塔时，都需要着重关注风荷载。因此，在他的晚年，大部分精力从事于流体力学的研究。
首先，他利用埃菲尔铁塔实测大气中风在不同高度的流速。他在铁塔的不同高程，布置了一些风速计，获得风沿高度的剖面图，即现今所称的大气近地边界层的剖面图。
其次，他为了深入研究风对结构的作用，他建造了风洞，进行各种物体在空气流动时的阻力实验。这是法国最早的空气动力实验室。
结语
随着大量低成本生产钢铁成为可能，19世纪后半叶，人类迎来了钢铁时代。而把钢铁真正作为主要的建筑材料，以取代以往砖石土木为主要建筑材料的代表性人物，正是埃菲尔。他的建筑风格引领了19世纪后半叶的潮流。
以砖石、土木为主要结构材料的时代，对结构设计的要求，主要是强度，而对于刚度和稳定性的要求并不高。因此，建筑所能够达到的高度和复杂程度是有限的。而埃菲尔开辟的新的建筑结构的时代，把古老的结构设计和现代力学相结合，设计出了具有时代感的结构。
在每个时代总有一些人会被铭记，比如混凝土时代的托罗哈、奈尔维，摩天大楼时代的Khan、Roberson。而在金属时代，我想这些会被铭记的人中，一定会有埃菲尔。
参考资料
1 原来美国的自由女神像是这样造的 建筑结构
2 探秘美国自由女神像内部结构
3 原来埃菲尔，不是铁塔 华夏金钰
4 埃菲尔铁塔——雄伟的建筑 谈艺论道
5 埃菲尔铁塔背后的秘密 洁文老师工作室
6 AD经典：埃菲尔铁塔/古斯塔夫•埃菲尔 AD中国
7 埃菲尔和巴黎埃菲尔铁塔 武际可
8 图片来源于谷歌图片、百度图片
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