图 217—吉拉尔用于试验木支撑的机器
图 218—支承吉拉尔试验机的格床的平面图
重。构成试验机主架的立柱AB伸入地基达3 1 米，在那深处它们由十字接
2





件 D 相连。当欲用此试验机作挠曲试验时，用一根更长的大截面木头取代铁
块 R 来承重梁的承座。一根立柱以与支撑试件相同方式安装，它向中跨施加 一个点负载。图 217 所示的脚手架和辘轳足以表明这些试验的艰辛。这些试 验是在职业工作的闲暇期做的，所以，四十八页的表格的记录和结论花了几 年功夫才完成。
　　尽管试验进行了很多次，试验时又十分小心，但吉拉尔仍然拿不准，他 的试验结果和他的计算之间的差异在多大程度上是由于实验误差或理论不 正确所致。
　　一次作为褒奖的提升把他调到埃及，这使他中辍了在勒阿弗尔的进一步 研究。他后来的辉煌生涯乃同尼罗河、卢克运河及其附属、巴黎供水系统、 法国水准测量、气体照明（他为此于 1819 年访问了伦敦）和许多市政工程 联系在一起。他还对材料强度的研究做出了进一步贡献。

列奥弥尔
　　我们上面介绍的试验机中，除了布丰的（这里还将谈到）而外，都不适 用于试验任何形式金属试件，除非是小截面金属丝或杆。米欣布罗克的器具 适合实验室应用，没有证据表明，人们曾把它们用于金属的商品生产或使 用。试验金属的商业方法的最早说明，也许是杰出博物学家费尔肖·德·列 奥弥尔给出的。他逞交科学院的论文（1711、1713 年等等）结集成一本题为
《锻铁转变为钢的技术》（L′Art de convertir le Fer forgéen Acier）
的著作（1722 年）。书中描述了两种试验，一种是挠曲试验，一种是硬度试 验。在前一种试验中，试件是由老虎钳水平地夹持的金属丝或带，这样，它 可在一个叉的两尖之间延展，而叉尖能绕垂直于试件轴的一根轴旋转。优质 钢能绕一个叉尖折迭而不开裂。在第二种试验中，试件必须加工成一根截面 逞等腰三角形的杆。截切两段短的试件，彼此成直角地放置，一段放在一铁 砧的平砧面上，另一段以其一平坦水平面向上，两段仅在沿每段边沿上的一 点相接触。当打击上面那段时，两试件的边沿受同一打击而产生凹痕。试件 越硬，刻痕越小。然而，列奥弥尔没有详细说明打击力或者刻痕测量的标准 化问题，即使试验结果具有科学价值。我们未闻这位作者再进一步谈过十八 世纪的硬度试验。
　　这一时期有记载的试验中，布丰做的金属试件最大。他对木材的试验（参 见第 610 页）中，负载通过支持被试验巨木的一个铁钩环传送。或许最初的 钩环有一个在使用时裂断了，因此，为了进行比较，就故意把其他的也裂断
（布丰：Histoire des Mineraux-Oeuvres complètes，1774—8，
Vol.Ⅶ，p.61）。每肢大小近似为直径18 1 即约为2 平方英寸的一个
2





铁钩环在 28，000 利弗尔①负载作用下裂断，这负载相当于约每平方英寸 6，
000 磅的应力。四次这种试验平均仅约每平方英寸 7，000 磅，而同样材料的 金属丝则要强十二倍。这有趣地从侧面说明了这时期棒铁质量之低劣。
苏弗洛得到布丰的批准，用前述试验机试验了十根小铁棒，它们的两端

锻打成截面较大的钩，铁棒垂直地悬置于杠杆上面。截面从

1 到 1 平方英
24 8

寸不等的若干试件的平均强度略低于每平方英寸 70，000 磅（隆德莱：L’Art
de B?tir，Vol.Ⅳ，pp.85f.）。隆德莱亲自试验过截面约
1 平方英寸的铁棒。他发现，颗粒细腻和锻打能大大提高铁的强度(同上，
8
p.88）。
　　克勒佐地方著名铁工厂的厂主拉米斯应用戈特试验机（图 215）中使用 的那种型式杠杆臂，对铸铁做了挠曲试验。值得注意，这杠杆臂分成两部分。 在试验中离负载较远的那个部分代之以试件铁棒，铁棒 18 英寸长、3 英寸见 方，插入一个铸铁箱之中，构成一魁伟墙。铸铁箱包含两个隔开 6 英寸的刃 形支承，一个在底部正面，另一个在顶部背面。试件横在下刃形支承之上而 断裂（S.H. Hassenfratz：Le Sidérotechnie，巴黎，1812，Vol.Ⅰ，p.47）。 佩罗内首先注意到，韧性金属杆在经受拉力试验时出现温升，以及拉力试件 在其表面受锉削后，强度大大减少。
　　　　　　　　　　　　　　二、挡土墙 沃邦和比莱
亘古应用人造堤岸或石墙来保持地坛，否则，地坛会碎裂或滑移。为了
防御而在高地筑墙的做法，其发展也许在中世纪后期的城堡中达于极致。但 是，起先一直没有关于确定它们正确比例的法则的记载。直到十七世纪，才 由塞巴斯蒂安·勒普雷特尔·德·沃邦（1633—1707）制定了一张表。沃邦
在 1658 年就任法国国王的总工程师，1703 年就任法国元帅。任何时期都罕
有人比他具有更广


　　　　　　　　图 219—挡土墙的典型截面（据沃邦） 泛的防御工事经验，因为他进行过不下 50 次成功的围攻，设计或改进过 160 多个堡垒。因此，他用于确定挡土墙最佳尺寸的法则备受尊重。十八世纪初 期关于这个论题的著作家无一不援引这些法则。他的表给出了高度在 6 和 80 英尺之间的任何墙的全部尺寸。顶宽为 5 英尺，面的倾度在一切场合均为 1
比 5。其余尺寸均如图 219 所示。从未考虑过挡土的质地。据推想，这位工



① 利弗尔（livre）是法国古重量单位名，合 500 克。——译者





程师大概凭发挥独创性和机智来根据具体环境改变标准截面。
十八世纪前发表的仅有的另一种设计挡土墙的法则，是皮埃尔·比莱
（1639—1716）提出的，其说明见诸他的《实用建筑学》（L′- Architecture Pratique ）（1691 年）。我们从比莱那里得到启示：一堆砂或砾石可以比 做一堆圆子弹。


　　　　　　　　图 220—比莱关于土对墙的作用的思想 后者可以造成规则的棱形或锥形，边沿立在一稳定的斜面上，此斜面按比莱 的意见同水平面成 60°。砂和砾石在形状或尺寸上不象炮弹那样规则，因 此，比莱认为，就它们而言，45°的坡度可以认为是合理的容限。
　　参见图 220，我们可以认为，三角形土楔 ABC 仅由这样的微粒组成，它 们受墙 ABDE 阻力的约束而未沿斜面 CB 滚下或滑下。

库普勒和贝利多
　　皮埃尔·托尔托·德·库普勒（卒于 1744 年）在于 1726 年逞交科学院 的论文中相当详尽地阐发了比莱关于土压的思想。比莱的三角棱不是一个子 弹堆的最紧凑结构：四面体和方锥形较致密，并对垂直面产生不同的压力 值。图 221 表明库普勒关于土楔的思想，以及（他所认为的）总压力将在其 上作
用于墙的沿墙背面的高度。对于土的密度w，他计算出P等于 w·H ，倾
4
复力矩为 w·H 。
6


图 221—土对平滑档土墙的压力（库普勒）


　　　　　　　图 222─土对平滑挡土墙的压力（贝利多） 作为经验的结果，贝利多（La Science des Ingénieurs，1729，Book I， Ch.Ⅳ）指出，新倾倒的普通土将直立在同地平线约成 45°的斜坡上。象图
222 中的球那样，附加的土需要水平抗力
P＝W＝ 1 w·H 2 。因此，对墙面AB的土压力所产生的总力大致等于楔
2
ABC 的重量，这时，墙在 G 处支持 FG。所以，土压中心就象在无摩擦流体中
那样，也位于墙高三分之一的地方；其倾复力矩＝ 1 w·H 3
6


加德鲁瓦和戈特
比莱、库普勒和贝利多都认为，土由象无摩擦运动的球一样的微粒组





成。然而，不同种类的土站立的角度不同；构成土块的微粒之间已知存在摩
擦和内粘。这两点都不能证明这个假设。事实上，角 CBM（图 223）也同倾 倒的土斜坡的站立角度不一致。如能确定角β、φ和Ω，则力 P 很容易计算 出来。但是，合推力 P 和 AB 的交点 K 仍不确定。在按图 223 那样看待这问 题之前很久，人们早就感到，流行假说的随便假定过于含糊不清，使人无理 由相信它们。


　　　　　　　　　　　图 223—土压力的楔理论 因此，人们试图用实验来研究这个问题。K.梅尼埃尔在他的《土压力和挡土 墙的实验的、分析的和实用的专论》（Traitéexperimental，analytique et pratique de la Pousée des Terreset des Murs de Revêtements）（巴 黎，1808 年）一书中，详尽无遗地论述了十八世纪全部实验和假说。但是， 这里只能简单介绍其中少数比较重要者。
　　1745 年，M.加德鲁瓦发表了一篇论文，描述几个小规模实验，它们在一 个箱中进行。它约 10 英寸长，有一端 3 英寸见方，盖着一个小的活动百叶 窗，箱内填充细干砂。加德鲁瓦注意到，当一堵墙坍毁时，土的表面在背后 距离 AC 处总是出现一条与墙平行的裂缝，AC 大致等于墙高 AB 的一半（图
223）。当能够寻迹时，这裂缝总是直通到墙根。这是最早提到破裂面的文
字。土楔上宽下窄的事实，加之加德鲁瓦箱的百叶窗总是倾向于向外倾覆这 一事实，使加德鲁瓦错误地设想，压力在墙顶处最大。
E.M.戈特（1732—1807）于 1784—1785 年描述过一些实验。砂放在一
个 30 英寸长的箱内，箱有一门，30 英寸深、1 英尺宽，与底铰接。在高度 的三分之一处，门上固定一根绳索，它通过箱的每一边沿，经过一个滑轮， 通过重物。戈特似乎已考虑到，随着门倾覆时流出 320 磅砂，也就度量了 W。
图 223 中的角 CBM 假定等于休止角。为使门顶住这假定的 W 值而不移位，需
要 P＝35 磅。然而，砂要从门漏掉，并且，它的休止角也小。因此，戈特用 一个较小的箱和弹丸重做了他的实验。戈特用水平的板代替门，分别测量对 每块平板的推力。他证明了，在任何深度处的压力实际上同表面以下的深度 成正比，从而也证明了，象在流体中一样，合力作用于离底深度的三分之一 处，而不是三分之二处。
隆德莱也做过一些实验。

库仑
　　库仑在他于 1773 年向科学院宣读的论文中，把极大和极小原理应用于 确定土压力（Mémoires par divers savans，Vol.Ⅶ. pp.357f.），由此 发展出了第一个令人满意的挡土墙理论。他考察了即将沿其脚跟倾覆时的一 堵墙，墙后是未过载的土楔，其截面逞三角形锥。摩擦和内粘沿破裂面抵抗 楔的运动。
　　




试考虑在重量 W 的作用下，在作用于 CB 的诸力和墙的抗力 P 的共同约
束下，沿垂直于图示截面的方向的单位厚度土楔 ABC 的平衡（图 224）。在 重量 W 平行于此破裂面起作用的分量足以克服抵抗沿 CB 的滑动的摩擦和内 粘之前，这滑动不可能发生。摩擦力可根据 W、P 和土与土之间的摩擦系数 μ计算。W 取决于楔的尺寸和材料密度，因此，未知因素只剩下尺寸 X 即 CA 长度。


图 224—土对挡土墙的压力（库仑） 推出土楔在斜面上的平衡方程，并整理出 P 的方程式，再对 X 求微分，
使这样得到的微商等于零。于是，就得到一个只包含 X、μ和已知尺寸 H 的 方程，而不包含内粒力。因此，X 可完全用 H 和μ来表达。
　　库仑进一步修改了他的方程，使之包括土的过载，即 AC 不象图 224 所 示那样成水平线的情形；并且，重新估计墙背和土楔间的摩擦效应。

沃尔特曼
　　赖因哈德·沃尔特曼（Beitr?ge zur Hydraulischen Architec- tur，1794，Vol.Ⅲ，p.173）用 tanφ取代μ，φ为内摩擦角，他取其等于 倒在野外的同样的土所形成的堤岸的休止角。
用φ的函数简化方程，他把库仑的方程化简
1 ?1 ? sin ? ?
P = ·w·H 2 ? ?
2 ?1 ? sin ? ?
这个方程通常归之于麦夸恩·兰金，但他是晚得多的时候根据一个不怎么令 人满意的理论导出这个方程的。沃尔特曼还用另一种变换把库仑方程表成应 用力学教科书至今还在照样使用的那种形式。

梅尼埃尔
　　结束本节的时候，还必须说明一下在梅尼埃尔领导下进行的一些实验的 结果。这些实验主要在朱利叶进行，那里在 1806 和 1807 年时正在兴建大型 防御工事。
框接而成的一个箱总长 3 米，末端由一扇 1.5 米见方的铰链门关闭。门
依凭一木撑而抵住箱中填充的土的推力，保持不位移。木撑远离箱的那端抵 住一个金属桶，这桶盛满水，承载附加的金属重物，站立在一个由坚固木板 构成的平台上。桶有一排出孔，水从桶里流出，直到由木撑传送的土对门推 力致使桶滑动。然后，间接地测量木撑所产生的力，即求出也刚巧引起桶滑 动的力，这力通过一根经过一滑轮的绳索施加于一个秤台。做了一系列实 验，共三十三次。抗力的作用点通过调节木撑抵住门的支承点加以改变。仅 当木撑在门离铰链的高度的三分之一处支承时，才得到一致的结果，从而证 实了库仑关于合压力中心的理论结论和戈特关于这中心的实验结论。在一切





其余场合，门的铰链处的未知反力使结果变得不正确。
梅尼埃尔得出下述四个结论： (1)迄今所提出的一切理论中，只有库仑的理论正确地预言了实验结
果；
(2)破裂面实际上不受过载影响； (3)仔细夯过的土所产生的压力只及松散倾倒的土的六分之一；以及 (4)μ对于砂可取为 0.4，对于植物土取为 0.5，对于垃圾取为 1.0。 库仑的理论导致一种切实可行建筑法。即使当墙的背面不垂直以及土过
载时，它仍可应用，而误差却不大。这个公式只有一个重要缺陷，即 P 不是 成直角地作用于墙。它向下倾斜，倾角等于土和圬工间的摩擦角。这个缺陷
在 1840 年由蓬斯莱加以纠正。库仑也知道这一点。但是，忽略这一事实的 较简单公式给出了安全裕度，这就致使人们不愿意作必要调整去纠正这错 误，从而使公式复杂化。

三、拱



拉伊尔
十八世纪初年，有三种研究拱和拱座设计问题的方法。 (1)德朗和弗朗索瓦·布隆代尔介绍的一种方法（Mém.del′Acad，
Roy.des Sciences dépuis 1666 jusqu’à1699，Tom.V），它把拱座厚度同
拱腹形状关联起来。然而，德朗的法则没有表明拱肋的厚度，也没有考虑到 拱座的高度。


　　　　　　　图 225—拉伊尔的光滑拱楔块理论 (2)按照罗伯特·胡克最先说明的理论，拱的各组成部分被认为彼此推
挡，其方式恰同一条链各部分相互对拉的方式相反。如果链杆重量同实际负
载成正比，那么，这方法便将给出任何拱的推力线，可以认为，拱各部分的 合压力沿此线作用。但是，由于为负载作的任何修正均将致使拱形状整个地 改观，因此，十八世纪工程师没有发展出一种实际方法，能把这理论应用于 一种设计方法。然而，这理论一般这样表述：只有当能在一个拱的剖面图中 画一条真悬链线时，这拱才能是稳定的。
　　(3)拉伊尔在他的《论力学》（Traité de Mecanique）（1695 年）中 首次概述了他在一篇论文中提出的一种方法，这篇论文于 1712 年逞交科学 院。这个方法建基于无摩擦拱楔块理论。
　　拉伊尔考虑了，一个由光滑拱楔块辐式接合而成的拱能够保持稳定的条 件。每块楔块均受到其自身重量和各相邻楔块的法向压力的作用。拱顶的石 块起楔的作用，倾向于使各拱腋分离和跌落。如此产生的推力同石块重量相
　　




结合，一起从一个楔块传到另一个，最后传到拱座。从匿名提供给《哲学杂
志》 （PhilosophicalMagazine）第 38 卷（1811 年，第 387 和 409 页）发 表的一篇论文中，可以看到拉伊尔、帕朗、库普勒、埃梅尔松和其他人制定 这理论及其应用的步骤。这论证的大意可参照图 225 扼述如下。可以证明，
在 A 和 B 处的两楔块的重量 Wo 和 W，同这两楔块的面所处平面沿水平线 KX 所截成的截距成正比。当角θ增大时，这两个截距也随之同 sec2θ成正比地 增大，而当θ在近起拱点处趋近直角时，仅仅重量所造成的平衡将要求无限 重的楔块。然而，正是在起拱点附近，摩擦的效应达到最大。
　　拉伊尔从一开始就意识到这种反常，但是找不到考虑摩擦的切实可行方 法。然而，在他的 1712 年论文中，他以图 226 所示方式提出了一种折衷方 案。他把拱分成四个扇形体。他认为，这拱从拱顶开始，在垂直线两边的 45
°之内，拱由无摩擦楔块组成，而其余部分则构成刚拱座。拱 AS 的重量 W1
按平行四边形法则同拱顶的推力 H（按上述方法计算，H＝W·do·r）相结合， 决定了 T。T 同拱座和拱腋的重量 W2 相结合，决定了 R。只要 R 处于底的宽 度之内，拱的推力就不会倾覆拱座。他用于求 R 的大小和作用点的几何作图 法，是非常复杂的。

图 226—拱的平衡（拉伊尔）

戈蒂埃
H.戈蒂埃关于拱设计的观点包括在他的《论桥台的厚度》（Dissertation
sur l＇Epaisseur des Cu tlées des Ponts）（1717 年）一书之中。戈蒂 埃在此之前已发表了《论古罗马和现代的桥梁和道路》（Traité des Ponts
et Chemins des Romains et des Modernes），此书象他的《论道路建筑》
（Traité de la Construction des Chemins）（1693 年）一样，也成为一 本权威著作，出了四版。他考察了一切比较出名的桥梁结构的尺寸，并象巴 拉迪奥一样，也得出结论：对于实用、目的来说，使墩在宽度上等于拱跨的 五分之一，拱圈厚度等于拱跨的十五分之一，就已足够了，但当建筑采用软 性石料时，拱圈厚度尚需增加一英尺。他还做了一些关于木楔块构成的拱圈 的实验，它们使他相信，必须极其精确地切琢石料，也必须给拱肩提供坚固 的背衬。他认为，光滑楔块理论的那些假定大大失实，因此，这理论毫无价 值，尽管基于这些假定的方法尚可为实践者采纳，运用起来困难也还不大。 贝利多在他的 《工程师的科学》 （ Mémoires de l′ Académie desSciences）（1729 年）中，简化了拉伊尔处理拱的方法，并把它应用于
圆形以外的形状。

库普勒
库普勒于 1729 年投交《皇家科学院备忘录》的一篇论文扼述了忽略摩





擦的最新拱理论。1730 年，他又撰著了一篇进一步的论文，文中研讨了考虑
到摩擦的半圆拱平衡问题。他认为，相邻楔块并不彼此滑移；但是，它们倾 向于转动，从而使接缝开口。他设法通过比较复杂的计算确定，为使一个拱 在其自身重量作用下，不会因在拱腋的一个关键接缝处发生这种转动而坍 陷，所能给与的最小厚度。

达尼西
　　M.达尼西进行了一些令人感兴趣的关于拱的实验，他于 1732 年向蒙彼 利埃学院报告了这些实验。A.F.弗雷齐埃的《论立体几何》（Traité de Stéréométrie）（1769 年）第三卷的一篇附录说明了这些实验。
　　这里，我们基本上只局限于注意拱圈在它自己重量作用下的稳定性。达 尼西从一个稳定拱开始，注意所施负载的效应。他先对一个由七块灰泥楔块 构成的半圆拱做实验。这未给出足够多可能的关键接缝，所以，他重新对一 个十六块楔块的半圆拱、一个十三块楔块的椭圆拱、一个拱扶垛和一个平拱 楣进行实验。

图 227—拱的平衡（达尼西）
当一负载 W 作用于拱顶时，拱腹倾向于在此负载的下面崩开。同时，拱背倾向于在 拱腋处崩开。受影响的接缝处的粗锥形线表明了关键接缝。拱的重量同 W 结合所产生的合 推力沿图中一链虚线所示的方向。

佩罗内
　　J.R·佩罗内在一个空前发展时期担负法国市政工程工作。因此，他具 备得天独厚的条件来通过观察和主动实验获得数据。例如，在建造塞纳河畔 诺让的圣埃德姆大桥时，就做了一个实验：在拱建成之前，先试验建造拱腋 上墙的一部分。这座大桥是一个跨度 96 英尺、拱高 29 英尺 6 英寸的椭圆拱
（参见 Mém.l＇Acad.Roy.des Sciences，1773，pp.63 f.和图 228）。这压
低了在拱腋处的拱赝架，致使拱和拱肩填充物之间出现间隙。沿拱的边沿标 上水平线。建好拱顶之后，马上就定中心，测量沉陷。间隙闭合了。但是， 观察到拱圈出现明显变形，而这清楚地显示了合压力的走向和破
　　　　　　　　图 228—塞纳河畔诺让的圣埃德姆大桥 裂点倾向出现的地方。这个现象以往只在小的模型中观察到。
　　佩罗内和谢兹早在 1750 和 1752 年就编纂了批圈、墩等等的合适厚度的 表。这些表（可能经过一些修改）后来同其他东西一起发表于 P.C.勒萨热编 的《帝国交通工程图书馆藏论文选（供工程师先生们应用）》（巴黎，1810， Vol.Ⅱ，pp.249 f.）一书之中。

库仑





C.A.库仑（Mém.par divers savants，1773）放弃了光滑楔块理论，遵
循库普勒于 1730 年首先提出并为达尼西的实验（即毁坏不是由滑动而是由 转动引致）所支持的论证路线。

图 229—拱的平衡(库仑)
　　在图 229 中，一个拱肋 AA＇B＇B 即将毁坏时，其一部分保持平衡的条 件的确定问题，可以归结为求下述两种情形里的水平推力 H：为阻止逆时钟 旋转因而使 A 和 B＇处接缝开裂所必需的最大值 H3；和将不导致顺时钟转动 及接缝在 A＇和 B 处开裂的最小值 H4。这两个最大和最小值下的截面积可分
别用尝试法求得。

戈特
　　如上所述，在巴黎的圣热内维埃夫教堂——法兰西众神庙重建时期，拱 的设计成为激烈争论的主题。
E.M.戈特的《论力学原理对拱顶和圆顶建筑的应用》（Mémo-ire sur l ＇
Application des Principes de la Méchanique àla Cons-truction des Vo?tes et des Domes）（第戎，1771 年）直接回答了，这众神庙的圆屋 顶及其支承，如按苏弗洛的设计建造，将弱得岌岌可危这一局面所提出的挑 战。戈特利用拉伊尔的理论，计算了圆屋顶的和支承其上鼓形顶的拱的推 力，并宣称，甚至以此为基础，他也能证明这设计是合理的。
后来他用弓形拱、三心拱和半圆形拱的模型做实验，它们的净跨为 65
厘米，用精心加工的木楔块（深 27 毫米）制作。当减小所提供的拱座的厚 度，并增加所支承的负载时，平衡就被破坏。实验导致戈特象对戈蒂埃和达 尼西一样，也拒斥拉伊尔的假定。他对这问题持同库普勒和库仑一样的看 法，也即认为，它是可能在某些关键接缝处发生转动的问题。

布瓦塔尔
　　布瓦塔尔约在 1800 年进行了一些大规模实验，所应用的砖楔块深 4 英 寸、宽 8 英寸，用砂岩磨光。拱建立在一些中心上，这些中心跨于拱座间 8 英尺的净跨上。破裂可用三种不同方法引致：
(1)垂直地降低中心； (2)增加拱背上的负载；639 (3)减小拱座的厚度。
　　每种试验——共有二十二种——都重复三次。这系列包括半圆形、椭圆 形和扁平形三种类型。勒萨热的上述《文选》的第二部分（pp.171—217） 详尽地描述了这些试验。作为这些实验的结果，布瓦塔尔得出了下述结论：
(1)拉伊尔的平衡理论应当彻底抛弃； (2)这理论应让位于一些法则，它们建基于他自己的实验以及佩罗内和





其他人收集的关于实际桥梁在拆卸拱架时的性能的数据；
　　(3)楔块决不滑动。它们总是转动，拱圈结果分裂成四个部分；拱腹在 拱顶和起拱点裂开；拱背在拱腹裂开（事实上当 H 具有库仑的最小值 H4 时）。

四、住宅房屋


　　本章迄此所考察的建筑问题，不说全部那也基本上都是关于所谓的公共 房屋。这里，还必须论述一下这个世纪里的私人住宅。
　　十八世纪里，住宅房屋达到了最大程度的壮观，甚至其间牺牲了舒适和 方便。中世纪最早的永久住宅是城堡和修道院。在城堡里，贮藏室、军舍、 大厅和住家公寓占居的层面互为上下；每一层都光照暗淡；没有私用室；舒 适让位于安全。在修道院里，僧侣的宿舍、食堂和仆僧的宿舍一般是三间一 长溜的房屋，它们同教堂中殿一起形成一个包围修道院的广场。城堡和修道 院在后来几世纪里都趋向于建造外屋来图扩展。私人住宅是一个大厅，家属 和仆役在里面住、食和睡。大厅一端，用屏帏隔出一个前厅，用来使从大门 进来的穿堂风转向；另一端有一个高台，它在一个演坛上面，演坛略高出底 层的一般高度。屏帏端外是厨房；在较大的住宅中，演坛端辟有一间私用室 或“日光浴室”。
扩建和改进在于把厨房扩大成一间间房间，分别用于烘烤、酿造等等以
及供仆役居住；“日光浴室”发展成为套房，但没有走廊，只有私用室是这 套房的最后一间。
有些地方，厨房、大厅和家庭公寓构成一约略方形的三边；第四边上的
　　　　　　　　墙、马棚、门傍屋和外屋完成了这庭园的四围。这使得能够在房屋的庭院边 开设较大的窗户，而在面对外界的墙上则仍只保留狭缝。 在其他地方，迭次扩建都一点不考虑到对称性。
在都铎王朝时代，除了皇家宫殿和比较富有的修道院的窗户而外，装配
玻璃是罕见的。中世纪住宅的大厅里，有火炉和中央露明壁炉。但是，当煤 成为普遍应用的家庭燃料时，露明壁炉就终于废弃了。英国解散修道院（1536
—40 年），把教会支配的大量财富分配给新贵族，这给私人住宅的建筑带来
很大冲击。新的房屋比以前更开阔、更宏敞，并开始模仿大陆新古典式的装 饰细节和风格。1660 年的王政复辟又一次振奋了新贵族，并进一步推动了住 宅建筑。旅行和阅读导致要求细节正确并符合古典式。技工师傅不再可以随 意修饰他的工件。古典式的细节只能由有学养的艺术家来设计。随着这种新 时式兴起，大量附插图的说明性文献应运而生。插图采自古代，或者临摹意 大利范本。这些文献实际上用作为商业样本。
　　十八世纪初，英国建筑时式几乎形成一种框框，即照抄安德列·巴拉迪 奥（1518—80）的著作。这种制式中，大厅发展成从一个古典式门廊进入的 高高的房间，周围是起居室和会客室，严格按正视图的对称性排列，但这可
　　




能同未来居住人的方便或舒适相冲突。厨房必定在一边，马棚在另一边，嵌
在一些外表上相同的侧翼区段之中。这往往造成厨房过分远离餐室，或者马 棚令人很不舒服地靠近会客室。但是，这规则十分死板。
　　旧贵族和新贵族都为他们的地产圈地。英国的公有地消失了。“美轮美 奂的楼宇”代之而起。炫耀的欲望是如此炽烈，以致许多绅士为了显示豪富， 不惜替自己建造在规模和居住方面可同国家美术馆相媲美的宫殿，而这注定 是留给后代的一个沉重包袱。多塞特的一个绅士在十八世纪末占有了这样一 份房地产，他“据说向凡是愿意居住和维修这房屋的人开价 200 英镑年金。 但是，找不到人愿意承担这责任。于是，他最后把这房屋拆毁，只留剩一翼”
（J.A.Gotch：The Growth of the English House，第二版，1928，
p.158）。 然而，这种房屋的建造没有提出什么问题，可同哥特式泥瓦石匠和木匠
所成功地克服的那些问题相比拟。所应用的是比较大的单块石料，但是，配 备有较好的提升器具。那些要求建立一门扩充的建筑科学的问题，不是住宅 房屋建筑师而是土木工程师提出的；而研究这些问题的不是工匠，而是几何 学家和自然哲学家。
当然，同住宅房屋密切相关的，是家庭供暖的问题。我们下面就来讨论
这个问题。

五、家庭火炉


　　十八世纪初，早先的家庭供热方法大都还在应用通常的燃料包括木柴、 木炭、泥炭或草皮。最早的壁炉是房间中央的一个洞，洞底铺设一块平石板， 烟从屋顶上一个洞逸出。后来，古希腊和古罗马人发明了烧木炭的可携式火 盆。十八世纪时，英国国会还在应用这种火盆。古罗马人还发明了所谓的“火 坑供暖”，这是一种地下供暖的方法。被供暖的房间在地面下有一个空洞， 它同一个外部火炉连通。有时，利用一个发端于地下空洞的烟道系统，由同 一个热源向住宅其他部分供暖。这是一种集中供暖系统。后来，壁炉设置在 房间边上，而不是设置在中央。逸散烟的开口设在墙上，而不是在屋顶上。 当这洞（尤其开在屋顶上时）成为坏天气里不舒适的一个根源时，就在上面 装置一个保护角塔。这种配置最终导致建造烟囱。当烟囱普遍应用时，住宅 建筑师们便比以前任何时候都更加倾向于把火炉和烟囱的位置从房间中央 移到一面的墙上。烟囱看来在意大利早在十四世纪时就已相当普遍了，但在 其他地方要到很久以后才达到这种普遍程度。在荷兰、法国和德国，封闭式 火炉到十八世纪初才普遍应用。荷兰应用的火炉是一个圆筒形铁室，有一扇 小门供送入燃料用，顶上有一根管子同烟囱相连。法国的火炉设计与此相 似，但用陶器制成，并以铁箍加固。在德国，铁火炉造在墙壁里面，它不向 室内开口，点火和添加燃料都在邻室进行。
　　




在英国，从十六世纪起，典型的壁炉都装设在一面墙上的一个凹进处，
略高于地面，并有一个烟囱。壁炉每一边通常都有一个小的砖砌平台。这平 台用来加热东西，包括啤酒，称为“hob”。冷啤酒放在一个类似的平台上， 称为“nob”，离壁炉远。因为啤酒无论冷热，无论

图 230—彭舒斯特的大厅中的壁炉柴架
木柴靠在水平杆 a 上，杆 a 则由两根立杆 cc 支承。（采自 W.Berman：History and
Art of Warming and Ventilating Roomsand Buildings1845，Vol.I.p.159。）
取自“nob”或者“hob”，都使人心旷神贻、话不绝口，所以，“hobn-ob”
［晤谈］这个词很可能是英国火炉的产物。只要木柴还是主要燃料，火炉的 主要设备即炉栅就总是十分简单。它是一个“andir- on”〔壁炉柴架〕（法 文古词 andier），即一根铁杆水平地横放在火炉上，并用适当的端件即立杆 把它抬高几英寸（见图 230）。木柴都靠在这“andiron”上。
　　然而，从十六世纪起，由于忽视重新植林，木材渐趋短少。这样，煤就 日渐用作家庭燃料。及至十八世纪，家庭用煤在英国已经相当普遍。 “andiron”显然不适用于燃煤。因此，一种带支撑柱条的金属篮筐或“支 架”被采用来燃烧煤或者煤加木柴。然而，这种活动“支架”很早以前就代 之以一种固定“支架”，这“支架”的铁杆建造在火炉两旁的砖墩之中，如 此便构成习见的燃煤炉栅（见图 231）。砖墩有时用彩色砖片装饰，成为新 式的“hob”，也用于烧煮

图 231—“hob”或“石棺”炉栅
（采自 F.Edwards：Our Domestic Fire-places，1870，p.29。）
　　等等。英国在十八世纪末普遍应用这种炉栅。它那时称为“hob”或“石 棺”炉栅。
1678 年，已经为鲁珀特亲王建造了一种有趣的燃煤炉栅。在这种炉栅
中，“支架”同后墙分开，中间留下空位；一块活动的砥板使烟能直接上行 到烟囱或者迫使烟先走一段迂回路，以确保全部挥发物质都充分燃烧。还有 一板活动的铰链板，它能降低下来，保持不让烟进入房间（图 232）。
十八世纪末，朗福尔德伯爵对燃煤壁炉作了一些重要改进。图 233 示出
他设计的那种壁炉。图 i 是他的壁炉的部分平面图，图 ii 是截视侧面图。 穹窿 E 同壁炉背面成 135°的角，背面宽度为正面宽度的三分之一。背面和 两侧面都加工得很光滑，并具有经白粉饰的饰面，炉火很靠前，以便尽可能 多地反射热。D 处的内边弯曲。 D 处的一块活动砖片为扫烟囱的小孩提供一 个入口。（参见朗福尔德的 Works，Bost- on，1870—5，Vol.Ⅱ，p. 502。）

图 232—鲁珀特亲王的壁炉
（采自 W.Berman，History，etc.，Vol.I，p.208。）





D 是煤支架和后墙间的空位。A’是砥板，E 是烟通过其上行到烟囱的开口。A 是一块
板，以 A′为支枢，当 A 处于虚线位置时，它让火刚点燃时的浓烟直接上行到烟囱。但当
A 向前运动到其他位置时，它让火燃得正旺时的烟沿箭头所示路径通过。B 是以壁炉架为 支枢的铰链板。当降到虚线位置时，它使烟不进入室内。C 是一块活动镶板，用于从 D 撤 除烟垢。


　　朗福尔德的壁炉后来很为流行。与普通燃煤壁炉同时，十八世纪里还发 展起来了一些特殊型式空气加热壁炉，尽管它们从未实际流行过。十七世纪 末，巴黎以在罗浮宫里拥有这种壁炉而引为自豪。路易·萨沃的《法国特殊 的堡塔建筑》 （ L ′ Architecture Francaise des Bastemens Particuliers）（巴黎，1685 年，pp.159f.）中描述了它，这里把它图示于
图 234。
图 223—朗福尔德的壁炉 图 234—罗浮宫的壁炉
　　　从 C 进入的空气通过铁结构 A 的室位 B，然后沿火炉背面运动，如此便被加热，再 经壁炉台上的孔 D 进入房间。 罗浮宫式壁炉成为尼古拉·戈热设计的一种壁炉的基础 （ La
Méchaniquedu Feu，Paris，1713；英译本，1716）。这种设计示于图 235，
其中图（i）、（ii）和（iii）分别表示部分平面图、居中平面的截视侧面 图和通过热气管即空气加热器（B）的截视正面图。空气在 C 处进

图 235—戈热的壁炉
入，在 D 处通入房间。通过在 G 处的一块铰链板，可借助烟囱的吸力直接向 火炉鼓风。火炉的热直接地同时也通过后通道 E 作用于 B。D 是通向邻室的 分支。


图 236—富兰克林的“宾夕法尼亚壁炉” 本杰明·富兰克林作出了这种壁炉的另一种有趣的设计（Works，1806，
Vol.Ⅲ，pp.225f.）。它示于附图。华盖 C 使火焰对准室 A，后者包含热气 管。空气通过 H 进入热气管，在热气管中被加热后，通过管道 F 出现在房间 中。B 是一个 soufflet〔风箱〕，它的功能象戈热的铰链板（图 235 中的 G） 一样，也在于使鼓风对准火炉。
　　以上说明的壁炉中，有一些和这里甚至尚未提到过的许多其他壁炉，都 是按照某些理论设计的，这些理论都或多或少恰当地建基于观察和实验。随 着家庭供暖越来越多地应用煤，烟囱成为一个严重问题，迫切需要改良。事 实上，烟的问题在十八世纪已严重到这般地步：兴起了一种新的行业，即“烟
　　




师傅”的职业，它是供暖和通风专家的前驱。他们撰著了许多书，论述壁炉
的正确构造以及它们故障的原因和排除方法。本节引用到的论著全都涉及这 整个问题。还有许多其他这种论著。这里只需略述一二。
　　尼古拉·戈热（上引著作）强调了下述几点：风吹过开着的门窗时产生 的吸入效应；邻近建筑物或其他障碍引起风变向，以致沿烟囱往下通过；大 壁炉各个角落上烟积集起来；风箱可用来向火炉供给附加空气；以及烟囱顶 上装设风帽，能够提供帮助。詹姆斯·安德森在他的《实用烟囱论》（Practical Treatise on Chimneys）（爱丁
图 237—障碍物引起的风变向的原因和排除 图 238—烟囱的各种装置
图 i 和 iii 表明给烟囱挡风、雨和雪的装置——侧孔或管道用作烟的出口。图 ii
表示当强盛行风沿某一方向刮时，用来保护烟囱的一种风帽——烟的出口同此风帽成直角 地装置。图 v 示出一种烟囱隔板，用来阻断和使烟囱部分地避开风。然而，最令人感兴趣 的装置是图 iv 所示之旋转风帽。风向标 A 受风的作用而转动，同时带动了盖 B，这就给 开口挡风，而烟则由风吸带走。堡，1776 年）中指出，一个高烟囱比一个
低烟囱通风更好，因为它提供了外空气柱和内烟柱之间较大的重量差，等
等。他强调，低的壁炉突胸具有重要意义，这逼使空气进入烟囱前先靠近壁 炉。烟囱不应当太直，否则，风和雨会迫使烟下行。安德森用图说明了当地 障碍物使风变向而进入烟囱的方式。这里复和于图 237。图中，图（i）表明 高建筑物 B 使风变向而进入烟囱；图（ii）表明附近一座山的同样效应；图
（iii）表明一种用来排除这弊端的风帽。风帽的构造在于，当（邻近障碍
物的风变向作用所引起的）局部下行气流通风帽臂上的垂直管道时，对烟道 产生一种吸引作用。
十八世纪里，还采用和建议了各种其他装置，用来对付烟这个难题。P.
埃布拉尔的《烟囱论》（Caminologie，ou Traité des Chemi-nées）（第 戎，1756 年，pp.90—104）中附图说明了其中若干种。上面各图均采自该书。
（参见 J.P.H.Curmin：History of the Domestic Grate，1934。这
是伦敦大学图书馆收藏的一份打字稿。）





第二十二章 技术

（五）运 输 一、道路和车辆

　　十八世纪里，随着商人阶级生活水准的提高，不仅对各种商品，而且对 改良的旅行设施的需要都与日俱增。无论从商业需要还是从旅行愉快来看， 现有的运输手段都极不令人满意。因此，人们想方设法改善所应用的车辆， 筑造更适合这些车辆行驶的道路。十八世纪使用的大车轮子，带有在木轴上 运转的木毂。有时，木轴设置有耐磨损铁板，木毂带有铁轴瓦。车轮的轮箍 由钉在木头轮辋上的铁条构成。现在还没有证据表明，在十八世纪末之前， 已把单一的铁圈箍套在车轮上（图 239）。


　　　　　　　　图 239—四轮双座马车的模型 十七世纪末年，客运马车已经用系带把车身挂在车架上。这是一个改
进。在那时之前，一直是旅客和货物一起由笨重而又无弹性的货车运送。这
减轻了高低不平地面造成的剧烈颠簸的影响。但是，悬挂马车的幌动仍可能 叫人很不舒服。
十七世纪后半期，出现了公共马车。1659 年，一辆公共马车往返行驶于
伦敦和考文垂。1663 年，大北路核准为收税路。不过，及至 1714 年，从伦 敦到约克的路程仍要花整整一个星期。然而，1750 年以后，迅速而有弹性的 公共马车很快就普遍应用，但直到 1784 年，它们才用于运送邮件（图 240）。


图 240—皇家帽子政马车，等等 大约在十八世纪中期，轻便双轮马车或四轮敞篷马车在法国流行起来。
但是，它们看来在十八世纪末之前很久还没有引入英国。
　　公路的改进（下面将要说明）和高压蒸汽机的发明（其经过在第二十四 章中说明）自然而然地促使人们多方试图发明利用汽力推动的火车和牵引 车。托马斯·萨弗里（卒于 1716 年）把车船的推动包括在他的“火力引擎” 的可能用途之中。但是，他没有把这思想付诸实现。


　　　　　　　图 241—十八世纪的四轮敞篷马车 一位名叫尼古拉·居纽的法国工程师于 1763 年建造了第一辆模型蒸汽
车（图 242）。它的使用得到充分证实。这模型似乎让人寄予很大希望，为
1769 年建造一辆实际大小的牵引车提供了保证，法国政府承担了后者的费
用。这种车辆一小时行驶约2 1 英里。但它不稳定，一次在繁忙街道拐角处
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倾覆后，鉴于给公众带来危险，便把它弃置了。这辆车今天仍保存在巴黎国
家工艺博物馆。它的一个模型现在也保存在伦敦的科学博物馆。

图 242─居纽的牵引机(1769 年) 图 243—默多克的蒸汽车(1784 年)

图 244—特里维西克的公路火车(1797 年) 接着一个很有前途的实验是在英国作出的。1759 年，罗比森就已力促瓦
特把蒸汽机用作轮式车辆的机车；1765 年，伊拉兹马斯·达尔文对博尔顿提 出了类似要求。实际上，瓦特在 1784 年他的蒸汽机专利中已包括一项关于 机车的计划。但是，索霍厂里看来只有一个人在认真钻研这个问题，他就是 默多克。他在闲暇致力制作一辆模型蒸汽机车，他于 1784 年在雷德鲁思试 验了它，当时他正在那里为博尔顿和瓦特装配抽水机（图 243）。然而，瓦 特劝阻他，不要继续深究这个问题，唯恐他的兴趣和注意力分散，影响那些 同索霍业务有关的更紧迫任务的完成。
十八世纪末制造的另一个实验模型是特里维西克的公路机车，它好象是
在 1797 年制作的（图 244）。它现在保存在伦敦科学博物馆里。特里维西克 花了数年时间研究机车蒸汽机问题，取得了一定成功，即制成了一些实际尺 寸的蒸汽机。这已是十九世纪初年的事了。不过，这里也可以讨论一下。
1801 年，特里西维克制成了一辆实际尺寸的模型机车，他用它在坎伯恩
的街道上做了数次试验运行。把它放在一个车库里时，由于火种没有取出， 致使木构件着火，结果机车毁坏。1803 年，他又把一辆机车送到伦敦，它在 那里牵引一辆客车。1804 年，他的一辆机车在南威尔士的彭尼达兰地方的煤 矿轨道上试验，但是轨道不够坚牢，承受不了蒸汽机车，因此，它便移作固 定使用。他的另一辆火车于 1805 年在盖茨黑德的一个煤矿的木缘轨道上试 验，结果落得同样命运。三年以后，即 1808 年，又作了一次尝试，试图引 起公众对蒸汽机车的兴趣。在伦敦尤斯顿广场遗址上的一个围场里铺设了一 条轨道，一辆拖拉着客车的特里维西克机车向公众演示（图 245）。然而， 显然几乎没得到或者根本没有得到鼓励。特里维西克遂把注意力转向其他的 问题。
　　我们现在可以转过来考察道路。当然，道路有着悠久的历史。古罗马的 道路特性多种多样，视交通要求而异。不过，一条典型的主干道路铺成四层： 最低层即路基，由大块石头组成，它们有时是铺平的沉重平板，有时是紧密 捣固的大块碎石片。垫层是毛石；内核层是碎砖、瓦片、小石子或砾石，它 承载最后的一层即路面。在重要城镇街道，路面可能是紧密接缝的铺路石， 在不大重要的干道，则是鹅卵石。使用的材料取决于当地可以得到的供应； 厚度视公路所通过的地面性质而定，有时厚达二或三英尺。如果底土松软，
　　




当地又多石灰岩，那么，底下的一层或数层可能是混凝土。就古罗马的建筑
而言，“混凝土”这个词一般是指，严实夯筑的相交替的岩石层和灰浆层。 用石子、细砂与水泥三者密切搅拌而成的混合物意义上的混凝土，是近代的 发明。松软的道路实例已经消亡。偶而发现的古罗马的坚硬混凝土其质地， 是因为年代久远所致，而不是精心选择最佳粘结材料的结果。


图 245—特里维西克的火车的演示（1804 年） 罗马帝国衰亡时，给欧洲留下了一个道路网，把一切重要的人口中心相
连，这些道路建筑牢固，养护精良。一些基础牢固的古罗马道路有的甚至至 今仍在使用。其他的则都已颓废，而许多世纪里一直是马道在满足一切地方 的交通要求。负担中世纪偶而车辆交通的道路和足以服务于正式用途的马 道，在用作为正式的货车路时，便落得可悲的境地。在山地，车辙碾压得较 深，成为水沟，而把车道深深地切入山坡。在平地，车辆绕过前车造成的沼 泽迂回前进，由于缺乏合适的路面，本来应当由货车载运的大量交通任务不 得不仍由驮马来负担，驮马在某些路线上定期地以大型马帮旅行（见图
247）。
图 246—典型道路的截面 图 247—马帮
　　十七和十八世纪里，车辆交通有了巨大增加，但是骑马旅行和驮马运输 甚至增长更快。快运鲜鱼的马队每天从海滨奔驰到伦敦的市场。1710 年，每 天有不下 320 匹满载的马通过汤布里奇（参见 S.和 B. Webb：The Story of the King’s Highway，1913，Ch.V.）。
日益增长的城镇必须得到食品供应，为此，大大的畜群沿着公共公路行
进。1750 和 1800 年间，史密斯菲尔德市场上一年销售的牛从 80，000 头增 加到 130，000 头。同一时期，羊以 640，000 头增加到接近一百万头；还有 几千只鹅和火鸡也挤在通往这中心的泥泞道路上。1775 年，一条“新路”（今 称作马里本路和尤斯顿路）建成，它从帕廷顿到艾斯林顿，作为到史密斯菲 尔德的牲畜交通的一条坦途，没有牛津大街的坚硬大卵石。
　　骑手和赶牲畜人反对坚硬路面，这使地方当局更加不情愿为了过境交通 便利而铺设路面，它们自己的纳税人也宁肯让路面保持松软。一条 2 至 4 英 尺宽的道堤足够让单行马匹通过，或使其路面抬高或用一行立柱同道路隔 开。只有在较大的城镇，街道起先仅仅为了满足当地的需要而加以改进。
　　法国是近代最早建立了一个令人满意的公共道路网的国家。于贝尔·戈 蒂埃的《论道路建筑》于 1693 年出版。这部著作说明了行车路的筑造方法： 建筑和夯筑用密接大石块构成的路基，并加以夯槌。这种制式后来同特尔福 德的名字联结在一起。1716 年，成立了桥梁道路工程师协会〔Corps des
　　




Ingénieurs des Pon-ts et Chaussées〕。在皮埃尔·特雷萨盖（1716
—96 ）领导下，法国公路在欧洲独占鳌头。


图 248—梅特卡夫 他沿用一种经过修改的古罗马方法：在平地上铺设石头路基，然后用大石铺 一层厚厚的石座，上面再铺小石块。后来（1764 年），他把基石竖放，并减 小上面几层的厚度。
　　苏格兰高地直到 1715 年叛乱时才出现道路，它们当时是出于军事理由 而建造的。这个道路系统在 1745 年后又有扩建。十八世纪四十年代，收税 路制度在英国更为普遍，尽管地方用户激烈反对和屡屡向国会请愿。1760 和
1774 年间，通过了四百五十二条关于筑造和修理公路的法令。 同新的英国道路系统相联系的最杰出人物是内尔兹巴勒的约翰·梅特卡
夫（1717—1810）。他在七岁就瞎了眼睛，但竟然在大多数户外运动上都很 出色。他作为一个巡回小提琴手到处旅游，还作为志愿音乐家随同镇压 1745 年叛乱的军队进入苏格兰。此后，他在阿伯丁和约克郡之间经商，继而经营 一辆往返于内尔兹巴勒与约克之间的运输车。他充分了解对更好道路的需 要，遂承包了建造从哈罗盖特到巴勒布里奇的一段收税路的工程；此后的三 十年里，大约筑了 180 英里的路，还建造了许多桥梁。他用一捆一捆的石南 束在哈德斯菲尔德和曼彻斯持之间的沼泽地上铺设道路，颇似斯蒂芬森后来 在泥炭沼上铺设的铁路。
托马斯·特尔福德（1757—1834）的早期工作属于这一时期。他开始是
跟埃斯克代尔的一个乡村石匠当学徒。后来，他在爱丁堡和伦敦当打短工的 砖瓦石匠师傅。从 1784 年起，他当上了承包人，1786 年就任萨洛普郡市政 工程勘测师。他的第一座桥梁于 1792 年建造在蒙特福德，跨越塞文河。它 由三个椭圆形拱组成：一个跨长 58 英尺，二个跨长 55 英尺，材料是红砂岩。 基础敷设在围堰上。


图 249—特尔福德 虽然他早期受的正式教育是在一所乡村学校完业的。但是，特尔福德努
力通过自学提高学识。这个时期，他在化学和建筑学上学问大大长进。因此，
他成为采用铸铁结构桥梁的热心者。 特尔福德的筑路方法是：(1)排水和平整土地，每 100 码开设一条阴沟；
(2)用大石块铺设坚实路面，块块密接，7 英寸厚，宽端向下；(3)把大石块 的尖端去除，给大石块覆盖 7 英寸厚较小石块，并用砾石铺面。

图 250—麦克亚当
　　1802 年，特尔福德受政府委任，负责勘测苏格兰的道路。后来，在他的 领导下，接连地建造了 920 英里长的道路和 1，200 座桥梁。英国后来按类
　　




似原理铺设的道路设计的名称有以约翰·劳唐·麦克亚当（1756—1836）名
字命名的。他们两人都力主，基础应有良好排水设施。但是，麦克亚当认为， 不一定要应用大石块底层。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　二、桥梁



石桥
　　十八世纪里，法国在工程理论方面占主导地位。然而，在土木工程实践 方面，却是其他国家特别英国取得了重大发展。1750 年，一个瑞士工程师夏 尔·拉贝利在伦敦建成了跨越泰晤士河的威斯敏斯特大桥，在这之前，那里 一直只有一座中世纪的桥梁。这座桥最令人瞩目的特点是运用水密的木沉 箱。它们被拖运到桥墩地址，被施加重量而下沉，用作为围堰，而桥墩可建 在其中。然后，围绕拆除沉箱墙时留下的木排边沿，打下板桩。桩头在水下 用迈尔纳设计的一种灵便器具截去。
罗伯特·迈尔纳（1734—1811）在 1760 至 1769 年间建造的布莱克弗里
亚尔大桥也用沉箱作为基础。它们把承座放在截成一水平面的桩头上。迈尔 纳设计最显著的特点是，运用英国从未尝试过的伪椭圆（三心）拱。
约翰·伦尼的工作使圬工拱桥达至尽善尽美，但它属于十九世纪。然而，
这里可以指出，在 1821 至 1830 年间，这种带狭孔和阻挡墩的桥取代了旧伦 敦大桥。这样，桥墩在桥址处露出河面，高于潮水涨落和冲刷范围，受其冲 刷。随着时间的流逝，流水侵蚀了威斯敏斯特大桥和布莱克弗里亚尔大桥、 最终还有伦尼的沃特卢大桥的基础，这些桥全都不得不代之以建立在更深基 础之上的新结构，沉降这些基础所应用的方法超出了十八世纪建筑师的智
谋。
　　威廉·爱德华兹（1719—89）在纽布里奇的塔夫河上建树的一项杰出造 桥功绩不能不大书一笔。他那建于 1746 年的三拱桥不久就给洪水冲掉。按 照他的合约的保修条款，他不得不再建造一座。这次，他选择单拱形式，跨
长 140 英尺，拱高 35 英尺。然而，由于同细长拱顶相比，拱腋上面引桥的
长坡的重量太沉，因此，这第二座桥又崩塌了。听从约翰·斯米顿的劝导， 在第三座桥中他用圬工筑出环状排列的圆孔，减轻拱腋的重量。实际上重量 不可能有明显减轻。但是，由于这样必须在桥腋上用切琢的圬工取代毛石， 结果便造成了一座稳固的桥梁。
　　爱德华兹和他的儿子还建造了许多座桥。但是，他们不大可能对流行理 论给予过哪怕是最低限度的注意。
　　托马斯·特尔福德于 1792 年在蒙特福德建造他的第一座跨越塞文河的 桥梁。它由三个椭圆拱构成。他晚年得到和研读了当时的重要工程文献的大 多数。他常读的那些书成为土木工程师协会图书馆的宝贵基础，人们也许至
　　




今还在查阅它们。但是，可能他不大了解在他盛年期间他不可能知道很多法
国工程专家的工作。库仑的伟大著作仅仅是通过托马斯·扬（1773—1829） 才引起英国工程师们的注意，而扬并不是一位工程师。
铁桥
　　虽然英国在工程理论发展上落在法国后面，但铸铁之引入桥梁建筑，却 几乎完全归功于英国人的技能和胆识。因为，尽管据说早在 1755 年就已在 里昂制成了用于造一座桥梁的铸件，但是，实际建成的第一座铸铁桥是在
1777 至 1779 年间建成的，它用来命名塞文河上在这个重要桥头堡处发展起 来的城镇——铁桥。这座桥由亚伯拉罕·达比和约翰·威尔金森用邻镇科尔 布鲁克代尔的著名工厂铸造的型铁制成。五根主要拱肋仅由两件构成，长 70 英尺，


图 251—科尔布鲁克代尔附近的铁桥 在拱顶枢接在一起而形成单一的 100 英尺 6 英寸长净跨，拱高 45 英尺，桥 面由铸铁板构成。这座桥今正规划为一处古迹，但现在仍用于步行交通（见
图 248）。
　　达比的桥的拱肋由三个同心的环或环段组成，它们与径向连杆铸成整 体。托马斯·特尔福德的铁桥建造在铁桥镇上游一侧三英里地方的比尔德沃 斯，它的比例更恰当，形状更优美（见图 249）。它建成于 1796 年，但后来 又重建过了。特尔福德还把铸铁用于造导水管，这在下面要提到。


图 252—特尔福德的在比尔德沃斯的铁桥 一座跨越沃尔河、连接森德兰和蒙克沃尔默思的铁桥用在罗瑟勒姆铸造
的型铁建造，这批铁材原系《人权论》（The Rights of Man）的作者汤姆·潘
恩定购运往美国。但是，在伦敦展出之后，这些铸件被罗兰·伯登买下来。 这桥建于 1796 年，直到 1929 年才被拆除，让位于一座更加宽敞的现代桥梁
（见图 253 和 254）。因为建造时是预备装运的，所以，沃尔河大桥由六根
肋拱组成，每根由 125 个小构架即长 2 英尺、深 5 英尺的格框铁构成。这些 构架犹如楔块，纵向用铁带、横向用铸铁管和熟铁系杆维系在一起。肋拱和 桥面间的空隙用铁箍填充。
后来，铸铁桥更倾向于采用工形截面楔块和格状的拱肩。在 图 254—伯登的铁桥的楔块
整个十九世纪里，它们仍一直同圬工设计相竞争直至两者都让位于钢和钢筋 混凝土。
　　1800 年，特尔福德同一位名叫詹姆斯·道格拉斯的才华横溢但性格怪僻 的发明家联名建议，极其大胆地在桥梁建筑中应用铸铁。这项建议是向一个 国会委员会提出的，这委员会的任务是报告伦敦港改良案。这些建议的改良 包括用一个更加开阔的结构来取代旧伦敦大桥，以便让远洋轮船通过，在伦
　　




敦桥和布莱克弗里亚尔大桥间将兴建的码头处卸货。与特尔福德的名字相联
系的这一设计表明一座完全用铸铁建造的拱桥，它具有长 600 英尺的单跨， 拱高 65 英尺。拱腹是半径 1，450 英尺的圆弓形；行车路从河岸经长坡上升 到高架拱顶。公众对这项大胆建议极其感兴趣，以致由一个特别委员会采取 向一些名流发征询单，汇总答复的形式专门收集根据。这些人包括上议员约 翰·伦尼、詹姆斯·瓦特和索霍的约翰·萨瑟恩、威廉·杰索普（斯米顿以 前的学生）、一些数学教授和皇家天文学家。除了拱腹圈以外，还有几个半 径较大的弓形，彼此在拱顶几乎相接触，但靠近拱座处则相互分得很开。
　　专家证言提出要加以决定的第一个问题是，结构的哪些部分起楔的作 用，哪些部分仅仅是需被承载的自重。究竟由最低的拱圈承受全部推力，抑 或整个结构乃一个结构工件，它总截面变化不一，由许多行肋承担推力，而 这些肋则用辐向和水平的加颈杆维系在一起呢？这些回答作为对流行观点 的说明，是很有启发作用的。这些证言大都认为，这整座桥起一个构架的作 用。甚至杰索普（他认为，铸铁是一种压不毁的材料）和伦尼也都持这种见 解。萨瑟恩也认为，这种设计使各个部分形成一个构架，但又认为，沉陷必 定不可避免地把整个负载压在最低的拱肋上，而其他拱肋的作用仅仅是牵拉 长长的拱肩柱。罗比森教授认为，底肋是实际的拱。他力陈，交会面应加以 研磨，紧固件应当用熟铁制造，按伯登在森德兰的桥的方式把各部分连接起 来。对重量应如何分布才给出均匀强度这个问题，好些证言都引用规则 H∝ sec3θ，其中有些因此引起了据之编制表的麻烦。
没有一个人能对铸铁的压毁强度有所说明。到那时为止所应用的测试用
具都不足以测试如此坚硬、抵抗力如此大的物质。这使得几乎不可能对所需 材料作合理的估计，尽管已预计到，所用金属重约 6500 吨，产生约 8000 吨 水平推力。至于承载这推力的拱座该如何排列，则一无所知。
尽管存在理论上的种种疑问，但完全可能的是，要不是国外政治形势转
移了公众的兴趣，资金也移作他用，这座桥早已经建成。 至于这座桥本来是一项伟大的工程胜利，抑或是对公众的一个灾害，现
在就只能猜猜而已。当伦敦大桥的问题再次引起注意时，这建筑沿着传统路
线加以建造了。（参见 E.Cresy：Encyclopaediaof CivilEngineering，
1847 ， 和 J.Mitchell Moncrieff ： PresidentialAddresstotheInstitutionofStructur-al Engineers，1928。）

三、运 河


　　较大的河流为小船水运提供了条件。因此，最明显的发展是治理这些河 流和给它们筑堤，并在可能的地方用运河把它们连接起来。
　　荷兰在中世纪后期开凿了大量运河，主要是为了排水。早在十六世纪， 这些运河有的就已在装设船闸以后可供小型沿海小船使用。在意大利，约在
　　




同一时候，也把老的灌溉和排水渠延伸拓宽，建成运输水系。现在还不知道，
船闸是这两个国家中哪一个发明的，但在十八世纪初，它们都已广泛应用船 闸。法国最早认真试图开凿一条运河，穿过两条河流流域间的分水岭。连接 蒙塔尔吉和布里亚尔的塞纳河和卢瓦尔河在十八世纪初拓展到了枫丹白露 和奥尔良。中央运河〔CanalduCentre〕在十六世纪初开始兴修，目的是为 了把卢瓦尔河上的迪戈恩同索恩河畔夏龙联结起来。埃米朗·玛丽·戈特
（1732—1807）于 1792 年把它最后建成（参见 Navier 编：（Euvres de
Gauthey， Vol.Ⅲ，1809）。
　　1661 至 1681 年间开凿的一条运河从加龙河上的图卢兹开始，中经朗格 多克，长达 148 英里（最高处达海拔 600 英尺，向下通达利翁湾的塞特）。 它在当时和以后许多年里一直是欧洲的最大运河。这项堪称伟大的工程包 括：给一个陡峭峡谷筑坝拦水而形成一个蓄水库；开凿一条长 500 英尺的隧 道；架设许多导水管。贝利多在他的《水利建筑学》（Architecture Hydraulique）和《哲学学报》（No.56，1669—70 年）上详尽无遗地说明了 它。在十八世纪，这条运河从两端拓展，最后形成一条长 300 英里的水道， 使得在地中海航行的小船能到达比斯开湾的各个港口，不必再冒险绕过直布 罗陀海峡沿葡萄牙海岸作漫长而又危险的航行。
瑞典的古斯塔夫斯·阿多尔弗斯和俄国的彼得大帝也鼓励在他们统治的
领土上，在可航河流之间开凿重要的连接渠道。彼得大帝雇用一个名叫约 翰·佩里的英国人开凿连接伏尔加河和顿河的运河以及连接圣彼得堡和里海 的运河。一支庞大的不熟练的劳动大军但仅是无负担这项任务。然而，资金 不足。佩里发现，甚至在那个时代，一个外国技术专家在俄国执行任务也面 临重重不可克服的困难和危险，遂只身逃离，到达英国时已囊空如洗。他把 自己的经历于 1716 年发表在一本题为《当今沙皇统治下的俄国的现状》（The State of Russia under the Present Czar）的书里。佩里后来的成 名工作是，用打下坚实桩子的河岸来弥合泰晤士河在戴根纳姆的堤中的破 裂，涌入狭缝的潮水则由水闸控制的分支排水渠排放。
另外，还围绕沃什河和亨伯河成功地建造了堤和排水渠。泰晤士河、塞
文河、特伦特河和大乌兹河成为这个时期英国的四大内陆水路。 英国平原以外地区开凿运河的最早认真尝试，仰赖于布里奇沃特公爵三
世弗朗西斯·埃格顿（1736—1803）的胆识和詹姆斯·布林德利（1716—62） 的技能。1733 年，布林德利跟麦克尔斯菲尔德附近萨顿地方的一个磨坊主当 学徒。布林德利全凭天赋的才
图 255—布里奇沃特公爵


图 256—布林德利 智和决心（因为师傅没有教他多少东西，他满师时既不会读书也不会写字） 掌握了手艺。1742 年，他在利克独立自营。他当时已勉强能够做笔记。塞缪





尔·斯迈尔斯根据他的一些笔记本重述了他后来的生涯（Lives of The
Engineers ，Vol.I）。这位磨坊主那时自己伐木，自己打铁，还可能开设 过一座工厂，装备有风车或水车、水道和水闸、传动装置和轴系。布林德利 甚至制造过蒸汽机。1758 年，布林德利还曾受雇踏勘一条拟议开凿的运河， 它旨在最终把利物浦经由切斯特、斯塔福德、德比和塔丁汉同赫尔相连。这 个计划被放弃了。但是，由于同这计划发生过关系，布林德利对运河发生了 兴趣，想象运河开发的种种可能性。
曼彻斯特那时是尚未成熟的纺织工业的一个成长中的中心，约有居民
20，000 人。它的交通非常落后。去伦敦的公共马车在夏季隔日开行，全程 要花四天半。冬季，道路不能通行；新鲜食品供应匮乏，价格高昂；煤用驮 马运送，而从仅仅几英里外运来，运费就同开采费用一般贵。
　　1759 年，布里奇沃特公爵获得国会授权，建造一条从他的煤矿到沃斯利 的运河。它通过一系列船闸通到伊尔韦尔河。这提供了曼彻斯特和默西河间 的主要通道。布林德利做了一个磨坊主所能承担的必要工作。他建议对这计 划作大幅度修改。他认为，这条运河不应流入伊尔韦尔河，而是跨越它，从 南面通向曼彻斯特，并且保持不变的高度，也不用船闸。布林德利的计划要 求，这条运河的走向应当沿着在伊尔韦尔河北面低地上方的一条高堤，并藉 助一条石砌导水管从高出伊尔韦尔河 99 英尺的高度上跨越这条河。这些困 难在朗格多克运河中都成功地解决了，但也许布林德利根

图 257—早期运河的典型截面
上：经过多孔隙地胶土的截面 下：粘土的截面 本就没有听说过一个世纪之前的这个成就。这项修订计划在 1760 年得到国 会同意。尽管除布林德利以外，人人心存疑虑，但是这计划还是执行了，直 至成功完成。经过多孔隙地以及在堤和导水管上通过时，运河的河岸都作胶 土处理。胶土处理就是用铲把粘土和砂充分揉和而成的一种半流质混合物彻 底捣混，形成一层不渗透水的粘土衬垫的一种加工。胶土分几层施加，每一 层都接着下面一层施加，以避免形成渗漏接合，直至厚度达到约 3 英尺（在 运河河岸的场合）。在干开凿时，胶土上覆盖泥土，以便防止粘土因干燥而 开裂。布林德利无疑是在制造磨坊用的拦河水坝和水道时掌握这种加工方法 的，他把这些成就归结于在运河中自如地应用了这些方法。
　　反对河流航行的意见之一是，在雨季水流太急；在干旱季节，沿岸水面 太低，拖船很不方便。如果仔细避免河水和运河相混和，一条运河就不一定 会有这两个毛病。因此，布林德利利用桥梁和涵洞让他的运河越过同它们相 交的河流。他几乎总是建议建造一条单独的可航渠道，而不赞成改良现有河 流的河床。
　　在沃斯利，布林德利的隧道从矿山的采掘面钻进一条坑道，煤就从它的 深处开采。这样，他为公爵的煤提供了从矿井深处径抵曼彻斯特中心的驳船
　　




运输。布林德利设计了装置在运河两端的煤升降机、矿井通风装置、抽水机
和开动抽水机的蒸汽机。同年，公爵的运河延长到朗科恩，和默西河连通， 沿袭了以往对水路的独占权。值得指出，曼彻斯特的人口在后来的三十年里 翻了一番。现在，不再需要一百五十匹驮马组成的运输队每周一次把曼彻斯 特的货物通过斯塔福德运送到比尤德利和布里奇诺思，以便经由布里斯托尔 出口。利物浦得到了供应。靠了这条新的主干大运河，甚至赫尔也有了直达 水路。
　　布林德利后来继续被雇用来建设运河。甚至在公爵的运河建成之前，他 已在计划另一条主干大运河，把该水路（它通过他在哈雷卡斯尔的著名隧道 进入波特里斯，三次越过特伦特河，最后通到德比的正南方与特伦特河交 汇）同从利奇菲尔德附近岔出的一条支流相连，并沿塔默河谷上溯到伯明 翰。
　　这条水路对盐业和陶器制造业产生了革命性影响。它们的产品以往用驮 马运送，运价高达每吨英里一先令，而且有很大的破损危险。现在，水运就 安全得多了，运价也大大降低，每吨英里不到四便士。
波特里斯“在 1760 年时是个人烟稀少的半开化地区，总共约 7，000 人，
只有一部分人就业，而且待遇菲薄”??“但在二十五年左右的时间里，人 口增加到了原先的三倍，就业机会充裕，地区繁荣昌盛，人民生活舒适”（斯 迈尔斯：Lives，Vol.I，1862，p.448）。
人们曾惧怕运河将使饲养马的人和沿海货运船主破产。这两种担忧被证
明是没有根据的。运河开辟了新的贸易地区，增加了
图 258—赛西尔陶桥处的铸铁导水管 对马匹和船只的需要。
布林德利在晚年成为公认的运河工程大权威。他始终参与开凿运河的实
践，一直工作到五十五岁死去。 这个国家很快就为纵横交错的运河系统所覆盖。可是，这些后来兴修的
运河有的在长度和规模上超过了布林德利运河，但并没有引入什么新的原
理。特尔福德的运河工作的意义，在于他采用位于高高圬工墩上的铸铁槽， 在那里埃尔斯米尔运河从赛西尔陶桥穿越迪伊河（图 258）；还在于给奇尔 克的导水道采用铸铁底和圬工侧壁。