空间构架vs硬壳式结构：哪个更轻便且有效？

工程师常常面临一个选择：一边是以分离的支杆与承张支杆按组装式玩具风格搭建的格构，即所谓的“空间构架”；另一边是以或多或少的连续板负载的薄壳掩构，即所谓的“硬壳式结构”。有时候，两种结构的区别会被一个事实掩盖，即空间构架会被某种连续包层盖住，而该包层其实无法承载过多载荷。传统的木屋、现代钢架工棚和仓库（覆盖以波纹铁），当然还有身披甲壳或鳞片的动物，都属于这种情况。

有时候，具体使用哪种形式，未必完全取决于结构上的要求。高压输电塔采用了开放的格架或格栅形式，因为这样它就具备了最小的风阻和最小的漆钢面积。但是，如果需要制造一个水箱，采用厚钢板壳体往往比用格构支撑防水袋或防水膜更方便，即便后一种形式可能更轻。事实上，它通常也是大自然用于胃和膀胱的解决方案。

有时候，两种构造形式间的重量和成本差异是微不足道的，到底用哪种可能无关紧要。但在其他情境中，差别会非常大。如我们所见，一顶帐篷总是比用连续板、混凝土或砖石建成的任何等效建筑物更轻也更便宜。在车身设计制造中，1930年左右的老派“魏曼式”轿车车身，是由木制空间构架覆以衬垫织物构成的，它比此后一直使用的压制金属壳体车身都要轻得多。在油价高企的今日，魏曼式车身很可能会复兴。

然而，有一种观念认为，硬壳式结构在某种程度上比空间构架更“现代”也更先进，后者有时被视为原始和相当华而不实的。虽然许多工程师应该更认同这种观点，但事实上它缺乏客观的结构性依据。当主要承载的是压缩载荷时，空间构架总是比硬壳式结构更轻，往往也更便宜。但是，当与尺寸相关的载荷较高时，使用硬壳式结构在重量上的劣势就不那么严重了，再结合其他考虑因素，就可以证明在某些情况下使用壳体是合理的。然而，对轻负载的大型结构，比如“刚性”的飞艇来说，空间构架或格构是唯一可行的一种形式。一个用工程师梦寐以求的闪亮铝板制成的巨型硬壳式结构飞艇是无法成为比空气轻的运载器的，一个密封增压袋或“软式飞艇”（blimp）则可以。(www.xing528.com)

从早期飞机的杆、绳与织物构造到现代硬壳式结构的变迁，并非都是因某些风潮而突然兴起的，而是达到一定载荷和速度后飞机设计中顺理成章的步骤。如我们所说，仅作为一种承压与承弯方式的话，硬壳式结构总是比空间构架更重；但所需的额外重量会随结构上载荷的增加而按比例减少。而且，若是作为抵抗剪切和扭转的方式，硬壳式结构比空间构架更有效。随着飞机速度的提升，对抗扭强度和抗扭刚度的要求也会提高。因此，20世纪30年代迎来一个转折点，就结构重量而言，是时候将机身构造从空间构架转变成硬壳式结构了。单翼飞机的情况尤其如此。因此，现代飞机往往被建造成连续壳体，用铝板、胶合板或玻璃纤维做外壳。同样合乎逻辑的回归也体现在现代悬挂式滑翔机的空间构架上，它们的确非常轻。

抵抗大扭转载荷的需要仅限于像船舶和飞机这样的人造结构。如我们在第12章说过的那样，大自然几乎总是设法避免扭转，因此，至少就大型动物而言，硬壳式结构或外骨架并不常见。最大的动物是脊椎动物，它们具有高度精密且成功的空间构架，其结构哲学与双翼飞机及帆船没有多大区别。在鸟类、蝙蝠和翼龙身上，这种避免严重扭转的需要则表现得非常显著。正是这一点使这些动物能够在空中维持其轻巧的空间构架。飞机设计师，请注意了。