结构大师系列—林同炎
今天大师系列小i为大家介绍一位华裔结构大师——林同炎。
“问：什么是创新？林同炎：我做的东西都是创新”
以下约3500字，全部阅读约需5分钟
先生青年之时正值民国时期，这是一个最坏的时代，也是个最好的时代。国家遭遇连年战争，山河破碎，风雨飘摇，但大师辈出，胡适、季羡林、杨振宁、钱学森、梁思成等都是这个时代各个领域的大师。在当时中国资源极度匮乏的时代大背景下，凭借自身钻研与一腔热血，在全球学术界为华人发声。而对于建筑结构领域，林同炎先生无疑就是华人中的翘楚。
先生的生平
那个时代的大师，总是身披一丝“孤胆英雄”的悲凉色彩，下面小i先介绍一下先生的生平。
林同炎，祖籍福建福清，1911年出生于一个小康家庭。从小就是学霸，14岁时便以第一名的成绩考进当时的最高工程学府——交通大学唐山学院土木工程系。林同炎后来接受恩师茅以升的建议，把“棪”改为“炎”，意为“既好懂，又代表自己是炎黄子孙”。
1931年，林同炎毕业，继而前往美国加州大学柏克莱分校工程研究院深造。1933年获硕士学位。我们大学学习的力矩分配法，就是林同炎的毕业论文，在当时轰动了美国建筑工程界，他所阐述的方法被命名为“林氏法”而广泛应用。
1933年，林同炎回国任成渝铁路桥梁课长（相当于今天的部门主管）、滇缅铁路设计课长、工信公司总工程师等职。主持过沱江大桥、成昆铁路及宝天铁路的设计与施工，参与成渝铁路1000多座桥涵的设计。
这里还有一段轶事与大家分享。有一天，毕业于美国康奈尔大学的一位上级，将成渝铁路线上最大的沱江大桥的设计图纸拿给林同炎看。林同炎看得很认真，他发现图纸有问题，于是对上级说：“你的设计不正确。”上级勃然大怒，责备道：“你这个乳臭未干的小子，竟然目中无人。”就把林同炎轰出门去。过了几个小时，上级把林同炎找来，说：“我们开会研究过了图纸，你的意见是正确的，从明天起，你就是桥梁课的课长。”这个故事当时被传为佳话。
1944年，他在夫人高训铨的建议下，写信给加州州立大学的杰姆逊教授，表示愿意回到母校教书。1946至1976年间，他携夫人赴美定居，先后担任美国加州州立大学伯克利分校教授，结构工程系主任、试验室主任以及全校教育改进委员会主席。
1963年，林同炎在《美国混凝土学会(ACI)学报》上发表题为《预应力混凝土结构设计与分析的平衡荷载法》的论文提出了概念清晰、便于计算的荷载平衡法，成为继弹性应力法和极限强度法之后的第三种预应力混凝土结构设计方法。
“预加应力可认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载相反方向的荷载，用以抵消部分或全部工作荷载”——荷载平衡法正是基于该原理。荷载平衡法对简支梁设计意义不大，主要是帮助设计人员合理选择预应力筋线型和预加力的大小，以减少使用条件下的挠度；但对连续梁、平板、框架等较复杂结构的设计则非常有用，可大大简化连续梁的分析计算。
1967年，他当选第一位亚裔的美国国家工程科学院院士。1969年，美国土木工程师学会（The American Society of Civil Engineers）(ASCE)将该学会的“预应力混凝土奖”改名为“林同炎奖”，这是美国科技史上第一次以一个华人名字命名的科学奖项。1974年，他获得国际预应力协会(FIP)“弗雷西内奖”(每4年一届)，这也是第一位美国工程师、第一位亚裔工程师获得此奖项。1976年，他从加州州立大学伯克利分校退休时获得该校的最高奖状——“柏克利奖”和“终身荣誉教授”称号。1986年，美国总统里根将美国最高科学奖——“国家科学奖”颁发给林同炎。
先生的工程项目
“他是工程师，教师和作家。他的科学分析、技术创新和富于想象力的设计、不仅跨过了科学与艺术的壕沟，还打破了技术与社会的隔阂。”——里根
美洲银行大厦
林同炎的项目最著名的应该就是这张照片了。
林同炎是个敢于创新的人，在当时将很多先进的理念和技术应用于工程实践。如他通过将“预应力混凝土”的新技术应用于建筑工程，大大节省了建筑材料，既降低了造价，又缩短了工期。但新生事物难免遭受传统声音的质疑，认为林同炎刻意减少材料，影响结构安全，最终诉至公堂，要求吊销林同炎公司的营业执照。官司打了两年，双方各执一词，一时难分胜负。
恰恰此时，中美洲发生大地震。尼加拉瓜首都马拉瓜灾情严重，市中心511个街区化成废墟，林同炎设计建造的一座60米高、18层的美洲银行大厦巍然屹立，仅局部连梁开裂。林同炎不仅因此赢了官司，而且在建筑工程界名声鹊起。
为什么看似轻柔的结构反而岿然不动？林同炎说，他在设计这座高楼时应用了中国哲学中“柔能克刚”的思想，采用了分阶段抗震设计，使建筑物具有柔性，以柔化强，故能在强震中不倒。
刚：通过外侧密柱深梁的框筒和内部剪力墙形成筒中筒结构体系，增加结构抗侧刚度。柔：剪力墙之间的连梁在地震过程中开裂，耗能，降低结构刚度，减小地震作用，从而形成多道设防。这与我国现在抗震思路是一致的。
同时林同炎在美洲银行大厦中首次提出了双连梁，以增大跨高比，在强震时发生弯曲破坏，起到保险丝的作用。同时在连梁中设置斜交叉配筋，增大连梁的抗剪性能。这些构造做法，在当时是非常领先的，在今天的规范中仍然可以找到。
旧金山莫斯康尼会议中心地下展厅
旧金山莫斯康尼会议中心地下展厅跨度90m，荷载34KN/m2，是典型的大跨重载结构。针对结构特点，林同炎提出了预应力混凝土拉杆拱体系，完美地解决了大跨重载的问题。
结构横向为主受力方向，采用预应力拉杆拱。拱结构采用混凝土结构，拱内的压应力使得混凝土的材料性能可以充分发挥。拱脚巨大的侧推力由拱脚的拉杆承担，拉杆采用钢索，并在钢索内施加预应力，产生100mm的反拱，以抵消外荷载引起的变形。
Ruck-A-Chuchy桥
1977年，林同炎先生和他的搭档D. Allan Firmage设计了跨越美利坚河（The American River ）奥本坝库区的斜拉桥方案，取名为Ruck-A-Chucky Bridge（简称Ruck桥）。
Ruck桥位于距加里福利亚（California）10英里的奥本坝水库上。桥梁长度约396米，主梁方案为钢箱曲梁，曲率半径457.20米；众多的钢拉索组成了空间双曲面索面，四个索面的拉力代替了桥梁墩台，承载了整个桥梁的荷载，所以全桥没有一个桥墩；拉索按照曲线的布置规律地锚固在两边上坡上，利用两边山体的岩石自重及岩体地质特性来充当强大的地锚结构，以此来平衡桥梁的荷载。
按照今天的环保观点来看，当年Ruck桥很好的利用了地形。在公路的回头弯上布置了一座没有桥墩的桥梁，最大限度的保护了自然生态，在保证行车功能与安全的前提下，独特的几何造型与自然环境恰好地融为一体，不能不说是一种巧夺天工的创举。Ruck桥曾在1979年赢得Progressive Architecture的设计首奖。虽然最后未能付诸于工程，该桥一直被公认为力学与美学结合的典范作品，而被称为“最著名的未建成的桥梁”。
虽然Ruck桥没有实施，但是这些设计上的思想与技术已被用于后续的桥梁上了，并在已经建成的工程中得以证明技术的可靠与可行。这些技术包括岩石锚固，后张预应力，空间索面，悬臂施工，正交异性板，抗震及风震的动态分析，应力控制和计算机仿真分析等。
其他项目
由于篇幅所限，无法一一列举先生的作品，下面选择一些项目照片，和读者一同欣赏。
亚利桑那老兵体育馆（鞍形索网结构）
里奥-科罗拉多大桥
（跨度146m，世界第一座上承式悬索桥）
台北关渡大桥
日本明石海峡大桥，1991
南宁大桥（先生人生中的最后一个作品）
先生的著作
先生一生著作等身，其中不乏一些书被传为经典，下面小i就择其中两本为大家推荐。
《预应力混凝土结构》被公认为预应力学术界的权威著作，同时被美国土木工程学会评选为大学最好教科书之一，翻译成日、俄、西班牙等多种文字出版。这本书由于年代较为久远，虽然大名鼎鼎，但是小i查了一下各个图书网站，已经没有购买渠道。个别网站还有电子版下载，读者如果有兴趣可以自行下载下来阅读。
《结构概念和体系》在我国可谓是赫赫有名了，在小i的同学和同事之间也是人手一本。书中阐述了结构设计方案中的基本力学概念，特别介绍了用整体概念来规划设计结构总体方案的方法；介绍了结构总体系和各分体系之间的力学关系，以及简化近似的分析计算方法。好书适合多读，小i层在大学和工作后不同阶段读这本书，由于自己设计经验的增加，每次读感觉有新的收获。
林同炎的学生问他：“你设计这些创新的工程，不怕出问题吗？晚上睡得着觉吗？”林同炎笑着答道：“我睡得着，而且睡得很好。胆子要大，同时也要心细。思想要放开，而设计中各项细节都要想到，要想到底。施工工人、材料条件，风、雨、地震、监工等等等等，都要想到。有些问题比如风、地震、钢索材料维护等，还要请教专家顾问咨询，听他们的意见，才有把握。我设计的所有工程，没有一个出问题的。”
作为工程师，刮台风时小i也每每会为自己的项目担心。读到先生几十年前对自己作品的从容和淡定，小i颇为感慨，并深以为然，在此与诸位共勉。
谨以此文向大师致敬。
图片均来自网络，版权归原作者所有。
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Heinz Isler 海因茨·伊斯勒
Robert Maillart 罗伯特•马亚尔
参考资料
美国的Ruck-A-Chucky桥，Alaskan Snow's blog
追寻大师的足迹——林同炎优秀作品赏析,郭楠
图片来源于百度图片
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