船舶中的中拱桁架及其历史

这风帆流逝之地，

库施河外之地，

遣使至尼罗河畔，

一苇杭之。

——《圣经·旧约全书·以赛亚书》（Isaiah 18：1-2）

事实上，在建筑工匠和岸上的建筑师开始考虑这个办法之前的数个世纪，造船工匠就已在使用并理解各种各样的桁架。大部分造船史都始于古埃及人在尼罗河上使用的小艇。就像先知以赛亚似乎察觉到的那样，这些小艇是将平行的几束芦苇秆绑在一起制作而成的。实际上，这些芦苇舟是从筏子发展来的，可以追溯到遥远的以赛亚时代之前，又或者是公元前4000年到公元前3000年。类似的小艇今天仍可见于白尼罗河和南美洲的提提卡卡湖。因为芦苇束朝末端自然变窄，故而或多或少自动地实现了大致的船型样式。芦苇束又长又细的末端通常以这样一种方式绑在一起，即将其向上翻转，以便在船头和船尾安放直立的装饰品。这个特征保留至今，有时形状变化并不太大，可见于地中海划艇那高高的船首柱，尤其是威尼斯小艇和马耳他平底舟。

虽然船舶的浮力大部分是由船体中部提供的且较少部分源自锥状末端，但没有什么能阻止人们将重物置于船舶末端。这样做的一个结果是，许多船都趋于“中拱”（两端趋于下垂而船体中部趋于抬升）的形状。这与屋顶和桥梁中存在的情况相反，它们的桁架中部往往会下垂到末端支撑物以下的高度。这种状态被工程师称作“中垂”。虽然在中拱和中垂的情况下力与挠度变形的作用方向相反，但在这两种情境中梁或桁架都显然处于弯曲状态，并且严格适用相似的原则和论证。

从结构学角度讲，船体也是一种梁，中拱作用力的效应在埃及小艇的柔性芦苇船体上表现得非常明显。一艘中拱的船看起来令人沮丧，这种状况需要用各种其他漂亮的理由来阻止，即便在公元前3000年也有必要针对这个问题想点儿办法。事实上，埃及人极其明智地解决了这个难题。他们给船舶安上了今天被称为“中拱桁架”的构件。它由一条结实的绳索构成，穿过一系列竖直支杆的顶部，两端被缠绕在船舶两头的下面和周围，以阻止船舶两端下垂（见图11-10）。这条绳索可以用某种形式的“西班牙绞盘”来绷紧。这种装置中间是一根长棍或长杆，外面缠绕着绳索，故而可缩短。因此，大的芦苇船体可被拉紧到船长想要的任意程度，无论是在平直还是竖直方向上弯曲。随着造船工艺的进步，埃及人开始用木料而非芦苇束造船。但是，因为大部分木板都非常短，并且几乎所有紧固处都是摇摇晃晃的，所以对中拱桁架的需求仍然存在。

希腊造船工匠的技术水平比埃及工匠更先进，他们建造了雅典海上霸权所倚仗的壮观的三排桨军舰或帆桨战船。然而，这些舰船也是用短木料建成的，它们轻巧的船体非常柔韧但却很容易漏水。基于这些原因，希腊人以精致的形式保留了中拱桁架：用一条结实的绳索，在船体外的高处（船舷上缘下方）整整绕一圈。它也是通过西班牙绞盘来设置，舵手可根据需要调整。因为希腊军舰主要靠相互冲撞来作战，所以它们必须能经得起猛烈的结构性损伤。因此，中拱桁架是这些舰船的必备部分；没了它，舰船将无法战斗，甚至根本不能出海。正如过去给现代军舰解除武装的惯例是从舰炮上移除炮闩，在古典时代，裁军专员常通过移除中拱桁架给三排桨军舰解除武装。

图11-10　大约公元前2500年的埃及航海船。这种船是用木材建成的，但在船头和船尾处保留了芦苇小艇的竖直装饰物的特征。木制板条非常短且不利于紧固，因此这种船也保留了传统的埃及中拱桁架构件。注意其A字形桅杆(www.xing528.com)

很明显，比雷埃夫斯港的雅典造船工匠熟悉建造桁架的原理，有人很可能会问：为什么像穆尼西克里和伊克提鲁斯这样的雅典建筑师不曾在他们所造的神庙屋顶上应用这种理念呢？这或许是因为中拱和中垂间的相似性从未打动他们，抑或只是因为他们从未与造船工匠推心置腹。毕竟，如今又有多少房屋建筑师与船舶工程师交谈过？

随着易碎的帆桨战船被舍弃不用，中拱桁架也消失了。然而，19世纪的美式内河蒸汽轮船一如希腊三排桨军舰或尼罗河上的埃及船只那样柔韧。它们薄薄的木制船体导致了相同的难题，美国人解决这些难题的方式也和古埃及人如出一辙。所有美式内河蒸汽轮船都配备了埃及模式的中拱桁架。唯一的区别在于，其承张构件用的是铁杆而非纸莎草绳，金属螺钉也取代了西班牙绞盘成为绷紧它们的工具。致力于提高航速的船长声称可通过拧紧或放松中拱桁架来调整船体的形状，从而使他们的蒸汽轮船再提高半节（1节≈1.9千米/小时）航速。事实上，这些蒸汽轮船船体漏水的状况，即使比三排桨军舰还糟糕，也没什么大不了的，因为它们配备了蒸汽舱底排水泵。

当然，桁架也会以多种不同的形式出现在几乎每一种帆船的帆装中。船帆很有可能也是一项埃及人的发明，因为尼罗河上的风在一年的大部分时间里都是向上游吹的，以至于运载货物的船能顺风逆流而上又顺流漂回下游，今日仍然如此。

建造帆船的第一个难题是竖起某种可扯起帆的桅杆，第二个也是麻烦得多的难题是把桅杆固定住。泛泛而谈，常规帆船的桅杆在结构上就是一种简单的杆或柱，靠固定的绳索系统获得来自各方向的支撑，水手们将这些固定绳索称为“静索”，即“横桅索”和“稳定索”。如果船体的刚性足以承受横桅索和稳定索的拉动，这就是最好的配置了，并且（如我们将在第14章看到的）是经数学证明的重量和成本最小化的配置。然而，埃及人没有做过这种数学分析，此外，他们对这个问题也没有先入为主的观念。他们只不过是相当厌烦划船，想找到某种办法来支撑芦苇小艇上的一种叫作帆的新奇事物。

我曾花大量时间开发轰炸机携带的充气救生艇的帆装，^[6]这样就能体会古埃及人在桅杆上付出的努力。或许，充气救生艇的膨胀船体几乎同古埃及的芦苇小艇一样柔韧。真的不能期望将高负载的绳索系在浸水气球或松软的芦苇束之类的东西上，在这些情境中，“静索”的概念变得相当可笑。因此，埃及人非常明智地在相当湿软的船体上安插了一种三脚架——有时是一种“A”字形桁架（见图11-10）。这个结构在尼罗河上的运行堪称完美；我曾羡慕过古埃及人对这个难题的解决办法，但不幸的是，这在救生艇上完全行不通。埃及人无须将整个帆装折叠起来装入一个小包，依次放进一架拥挤的飞机。

希腊和罗马商船的船体一般是十分强劲的，足以对抗常规静索施加给它们的载荷，故而这些船的桅杆竖立在船中部，并按常规方式由横桅索和稳定索来支撑。然而，出于某种原因，即使大型罗马舰船也极少超越一根长帆桁悬挂着一个大横帆的单桅样式。直到文艺复兴时代的大航海运动，大型帆船的帆装才随着桅杆和船帆数目的倍增而变得复杂起来。大约在这个时期，单桅被三桅取代，分别是前桅、主桅和后桅。最终，每一种桅杆都向上延伸，以便能在下横帆或“主帆”之上先挂起中横帆，然后是上帆，最后是顶帆。（更高的天帆和月帆出现的时间要晚得多，皆是快帆船时代矫揉造作的产物。）

传统上，每种帆——主帆、中帆、上帆和顶帆——都挂在桅杆上各自独立的位置，也就是说，每段下桅的上面都是一段中桅，每段中桅的上面都是上桅，以下类推。这些逐级向上的桅杆部位分别是由一段独立的木料构成的，每一段都在其适当的位置靠复杂而精密的滑动装置支撑。这种安排是为了让所有逐级向上的桅杆部位和帆桁可以不时地被降到甲板上。因为更大的船桅木每个重达数吨，在摇晃的船上需要兼具技巧与勇气才能升起或降下这么笨重的对象。然而，一艘大战舰的船员规模可达800人，他们中的大多数人足可傲视高空作业的工人和受过训练的运动员。19世纪40年代，英国地中海舰队的海上操练方法成为传奇。据说，舰队司令吃完早饭后习惯下令“所有舰船放倒中桅，并汇报所花时间与伤亡人数”。无论实际情况如何，能确定的是像皇家海军马尔伯勒号这样训练有素的战列舰，可以靠其全体船员在几分钟内将桅杆逐级拆卸下来，之后再同样快速地安好帆装。这些竞赛性训练绝非浪费精力。舰船上载有充足的备用船桅木，船在紧急状况下的安全性或者战时行动的结果，往往取决于替换报废桅杆的速度。平时操练期间偶有人员伤亡是可以接受的，如同我们接受骑马或攀岩事故造成的伤亡。

这一切背后隐藏着卓越的结构技术，值得引起现代工程师的注意，而他们在这件事上往往自命不凡。在后来的帆船上，支撑所有桅杆上重物的索具，其复杂性的最佳代表是胜利号（见插图14）或卡帝萨克号。例如，胜利号主桅的总高度约为223英尺（约67米）。它的主帆桁长102英尺（约30米），但它可随意延伸到197英尺（约59米）的总宽度，靠的就是滑动翼帆下桁。整个庞大的机制可靠地运行了多年，哪怕是在最可怕的风浪条件下，也比大多数现代机械可靠得多。

大帆船的桅杆或许代表了曾经最精密无疑也是最漂亮的桁架系统之一。以相当大的复杂性为代价，凌空结构的总重量降至一个安全的数字。但是，当1870年左右架设在旋转炮台上的大炮不得不被引入风帆战列舰时，人们却发现横桅索和其他绳索的网络过分限制了舰炮的射击弧度。为此某些装甲舰，特别是皇家海军的舰长号安装了三脚桅，以获得更好的火炮射界。这可以说是对埃及人立桅方法的回归。然而，这些三脚结构所增加的顶部重量，对这些舰船岌岌可危的稳定性产生了不良影响。它无疑导致了舰长号的倾覆，当时这艘军舰正在风雨交加的比斯开湾扬帆夜航，近500人因此溺水身亡。