Structures: Or Why Things Don't Fall Down（结构：东西为什么不会倒塌）

引用

Gordon, J. E. (2003). Structures: Or Why Things Don't Fall Down. Da Capo Press. (First published 1978.)

章节概要

全书共16章：一章引言，然后分为四个部分。与戈登早先的 The New Science of Strong Materials 一样，每章标题都由直白的主题和俏皮的副标题组成。下文的页码范围来自1978年版，其各章一直到第373页；出版社列出的Da Capo平装版为424页。菲利普·鲍尔在为前一本书写的导言中，把 Structures 称为它的通俗续篇，并指出两本书都大量取材于航海史。

第1章：我们生活中的结构——或如何与工程师交流

约14页的引言章，讨论结构在日常生活中为何重要，以及非专业人士如何就结构问题与工程师交流。

第2–5章：结构为什么能承受荷载——或固体的弹性；应力与应变的发明——或柯西男爵与杨氏模量的破译；安全设计——或强度计算真的可信吗？；应变能与现代断裂力学——兼谈弓、投石机和袋鼠

第一部分"弹性科学的艰难诞生"解释固体如何通过弹性变形来承受荷载，应力、应变和杨氏模量的概念是如何被定义出来的，以及强度计算在多大程度上可信。第5章近40页，是全书最长的一章，介绍应变能和断裂力学，并以弓、投石机和袋鼠所储存的能量为例。

第6–8章：受拉结构与压力容器——兼论锅炉、蝙蝠和中国帆船；接头、连接与人——兼谈蠕变与战车车轮；软材料与生命结构——或如何设计一条蠕虫

第二部分"受拉结构"讨论以受拉方式工作的结构：压力容器、接头与连接（包括蠕变），以及柔软的生物材料。最后一章正是出版社凭其副标题特别提到的一章。鲍尔的导言回忆道，本书对自然结构的讨论，例如鸟羽的抗冲击性、蝙蝠翅膀以及肌肉和肌腱的排布，启发了早期的仿生学研究。

第9–13章：墙、拱与坝——或入云的高塔与砌体的稳定；桥梁种种——或圣贝内泽与圣伊桑巴德；做一根梁的好处——兼论屋顶、桁架与桅杆；剪切与扭转之谜——或北极星导弹与斜裁睡裙；受压破坏的种种方式——或夹层板、头骨与欧拉博士

第三部分"受压与受弯结构"是篇幅最长的部分，约130页。它从砌体墙、拱和坝讲起，经过桥梁、梁（包括屋顶、桁架和桅杆）、剪切和扭转，一直讲到屈曲及其他受压破坏，其中包括欧拉的压杆理论和夹层结构。

第14–16章：设计哲学——或形状、重量与成本；事故一章——关于罪过、错误与金属疲劳的研究；效率与美学——或我们不得不生活的世界

第四部分"于是结果是……"把视野扩展到设计本身：如何在形状、重量和成本之间权衡，结构如何因错误和金属疲劳而失效，以及效率与外观有什么关系。

核心概念

第1–5章：引言与第一部分

• 弹性：固体在荷载下变形又恢复，从而能够承受荷载的方式。
• 应力、应变与杨氏模量：描述荷载强度、变形和刚度的量。
• 安全设计：在计算强度与预期荷载之间留出余量，并了解强度计算的局限。
• 应变能与断裂力学：受载结构中储存的能量及其在裂纹扩展中的作用。

第6–8章：第二部分

• 压力容器：器壁以受拉方式承受内压的容器。
• 接头与蠕变：连接部位如何传递荷载，以及持续荷载下的缓慢变形。
• 软结构与生命结构：生物材料和生物体如何承受荷载。

第9–13章：第三部分

• 砌体的稳定：在受压状态下依靠形状和自重而屹立的墙、拱和坝。
• 梁与桁架：通过弯曲承受荷载的构件和构架。
• 剪切与扭转：错动和扭转变形。
• 屈曲：受压构件因失稳而破坏，可用欧拉理论描述。

第14–16章：第四部分

• 设计权衡：形状、重量与成本之间的平衡。
• 金属疲劳：在反复荷载下发生的破坏，是书中讨论的事故原因之一。
• 结构效率与美学：好的结构与好的外观之间的关系。

评析

优点

• 不靠术语解释概念。 出版社把本书介绍为对日常事物中各种力的通俗解释，从建筑和人体到飞机和蛋壳，并突出其对应力、剪切、扭转、断裂和受压的讲解。Scientific American 称它"内容丰富、引人入胜"。
• 例子范围惊人。 仅从章名就能看到锅炉、蝙蝠和中国帆船、战车车轮、蠕虫、高塔、水坝、桥梁、桅杆、睡裙、头骨和袋鼠。工程结构与自然结构并列讨论，鲍尔把这种做法与仿生学的创立联系起来。
• 历史与科学并重。 第一部分讲述弹性、应力和应变是如何被认识的，第四部分讨论设计、事故和外观，使学生把这门学科看作人们发展起来、至今仍在争论的东西。
• 工程判断。 关于强度计算是否可信、关于由错误和疲劳导致的事故的章节，不仅讲结构如何工作，也讲结构如何以及为何失效。

局限

• 不是计算用书。 本书是通俗读物，没有展开系统的结构分析方法，不能代替教材。
• 文本年代较早。 本书初版于1978年，反映的是当时的工程状况；例子大多是历史性的，此后材料、分析方法和结构形式的发展都没有涉及。
• 内容有所取舍。 各章围绕戈登的兴趣展开，因此有些主题（断裂、受压破坏）篇幅很长，而另一些土木工程课程的核心主题，例如超静定结构，根本没有成为章节题目。

在课程中的定位

在土木与结构工程课程中，戈登的书应当最先读，或在技术课程的最初几周同时阅读。Ji、Bell和Ellis的 Understanding and Using Structural Concepts 是最接近的配套读物：它同样以培养直觉为目标，但为每个概念给出定义、简短的理论和简单的实物演示，因此能在戈登的叙述与技术教材之间架起桥梁。Hibbeler的 Structural Analysis 和Megson的 Structural and Stress Analysis 提供了戈登只用文字描述的静定与超静定结构的分析方法。

更高阶的书要很久以后才读：McGuire、Gallagher和Ziemian的 Matrix Structural Analysis 发展了基于计算机的刚度法，Chopra的 Dynamics of Structures 讨论振动和地震工程。戈登关于屈曲、疲劳和事故的章节为这两本书提供了良好的背景。他列在材料力学课程中的 The New Science of Strong Materials 讲的是同一个故事中材料的一面。

如何使用本书

本书适合土木、结构、机械和航空工程专业的一年级学生、建筑学学生以及普通读者。除了中学算术和好奇心之外，不需要任何技术背景。

实用的阅读计划：

• 先读第1章和第一部分（第2–5章）。这几章建立应力、应变、刚度、安全和断裂等概念，全书其余部分都要用到。
• 结构工程师的核心： 第三部分（第9–13章），讲拱、桥、梁、剪切、扭转和屈曲，与第一门结构课程直接对应。
• 按兴趣选读： 想了解压力容器、接头和生物结构，读第二部分；想了解设计哲学、失效和美学，读第四部分。讲事故的第15章适合在学习任何疲劳或失效分析课程之前阅读。

与技术课程并行阅读：每读完戈登的一章，就在结构分析或材料力学教材中找到对应章节，就同一概念做几道题。记下他提到的历史人物，如柯西、杨和欧拉，并查一查他们的成果在教材中是如何表述的。