自 18 世纪以来，脚手架的搭建方式发生了哪些变化？

脚手架是如何做到不因自身重量或所受荷载而坍塌的呢？如果你还没有体验过站在几百英尺高的脚手架上，向下俯瞰直径不足两英寸的脚手架支腿的刺激感受，那就把它列入你的愿望清单吧。

它能承受任何重量，这简直令人难以置信。为什么悬挂式脚手架能稳稳地挂在那里而不掉下来？这些临时结构为何能用如此纤细的支腿和细如发丝的钢丝支撑如此巨大的重量？对一些人来说，这或许是个谜，对另一些人来说，这或许是个奇迹，但其实是有原因的。

数千年来，人们并不了解材料的强度是可以计算的。建筑与其说是科学，不如说是艺术。技艺精湛的工匠们凭借经验指导未来的工作。欧洲宏伟的大教堂便是这种方法的例证：工匠们不断挑战知识的边界，建造越来越宏伟的建筑，直到结构明显无法承受荷载时才停止。

支撑载荷

直到十八世纪，科学和数学才发展到足以精确分析并确定特定材料抵抗力和承载力的能力。在此期间，人们发现可以建立公式，设计师不仅可以利用这些公式来确定某种材料（例如铁）的强度，还可以确定结构构件需要多大尺寸才能承受荷载。这些知识催生了工程学，而工程从业者则利用这些知识进行设计和分析。事实上，正是这些工程知识被用来解释脚手架如何以及为何能够发挥其作用。

一根柱子，例如脚手架的支腿，能够承受的压缩载荷取决于三个因素：材料类型、材料形状以及柱子的无支撑长度。对于框架式和系统式脚手架，圆管是首选形状。之所以使用圆管，是因为它在所有方向上的强度都相同，而矩形管则在两个方向上强度较高，在另外两个方向上强度较低。方形管可以最大限度地减少强度差异，因此是第二选择，这也是为什么有些脚手架会使用方形管的原因。为什么使用管子而不是实心杆呢？毕竟，树木是实心的。

通过研究发现，为了达到所需的管材强度，管材外周所需的材料远多于管材中心所需的材料。由于管材中心的材料并非必要，因此被移除。这就是为什么使用管材而非实心杆的原因。诚然，实心杆可以承受更大的载荷，但考虑到管材也能达到令人满意的效果，经济性最终胜出。此外，你能想象一个用实心杆做支腿的脚手架框架会有多重吗？

形状变化

钢材是大多数脚手架的首选材料。工程技术发展初期，人们就发现材料的强度会因材料配比（例如碳与铁矿石的比例）的不同而有很大差异。同时，人们也认识到杂质会降低材料强度。为了确保强度的一致性，现代钢铁生产受到严格控制，从而使材料强度非常可预测，脚手架制造商也能生产出性能稳定的产品。当然，另一方面，一些不法制造商可能会使用劣质钢材，但这又是另一个话题了。

决定柱子抗压强度的第三个因素是无支撑长度。一根直径为2英寸的无支撑钢管抗压强度很高，但当其高度达到20英尺时，则完全不具备抗压能力。18世纪的瑞士数学家和物理学家莱昂哈德·欧拉首先确定，除了材料类型和柱子形状之外，柱子的无支撑长度也是影响其强度的重要因素。随后，他推导出了一个包含这三个因素的公式。换句话说，他的柱子公式以及后来的其他公式都包含了形状、材料强度和无支撑长度之间的关系。对于脚手架而言，无支撑长度是指水平构件之间的垂直距离与斜撑连接点之间的垂直距离之和。

脚手架搭建人员不能更改所用材料，也不能改变脚手架支腿的形状，除非他们使用了弯曲或折弯的管材。使用弯曲或折弯的管材会降低立柱的强度，这也解释了为什么损坏的脚手架构件绝对不能使用。脚手架搭建人员可以做，而且经常做的，是改变脚手架支腿的无支撑长度。最常见的例子是框架式脚手架，其中前横撑从未安装。这种做法将无支撑长度从4英尺（横撑立柱之间的距离）改为6.5英尺（通行框架的标称高度）。这样做会使脚手架支腿的承载能力降低多达50%。相反，在系统式脚手架上增加水平构件和相应的垂直斜撑的数量，从而减少无支撑长度，可以显著提高脚手架支腿的承载能力。遗憾的是，很少有安装人员了解支撑对承载能力的影响。

悬挂式脚手架也受到欧拉先生研究的影响，但影响方式可能与您预想的不同。受拉立柱不受无支撑长度的影响，因此钢丝绳相对于其直径而言可以承受巨大的载荷。欧拉的三大要素在悬挂钢丝绳所连接的水平悬臂梁上发挥着重要作用。虽然悬挂式脚手架的载荷并非轴向压缩载荷，但它会在悬臂梁的外端施加弯曲载荷。如果梁的形状不正确、材料强度不足或支撑不足，梁就会发生滚动、扭转、弯曲，最终无法支撑脚手架的载荷，从而对脚手架上的作业人员造成不利影响。

当今世界

脚手架的设计与分析源于三百年前物理学家们的研究。它为结构和脚手架的设计带来了确定性，并降低了施工成本。随着时间的推移，它终结了以往依赖施工者经验和过往业绩来建造结构的做法。

在当今世界，除了脚手架之外，任何重要的建筑物的建造或设计都离不开我们今天所知的工程学。

令人匪夷所思的是，脚手架行业至今仍沿用1700年的老方法搭建脚手架，依靠的是那些缺乏无支撑长度概念的搭建工人，他们只能凭借以往的经验来勉强完成搭建。更令人匪夷所思的是，这种做法竟然被认为是可接受的。