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世界工程奇迹险遭夭折,不为人知的力挽狂澜者竟是她丨展卷

原创
布鲁克林大桥
返朴

1883年落成的布鲁克林大桥是纽约的地标性建筑。大桥全长1834米,桥身由上万根钢索吊离水面41米,是当年世界上最长的悬索桥,也是世界上首次以钢材建造的大桥,“被誉为工业革命时代全世界七个划时代的建筑工程奇迹之一”。

但这项工程甫一开工,设计师便死于意外,继任的总工程师不久又病重至难以工作。这时,总工程师的妻子,也是设计师的儿媳,艾米丽·沃伦·罗布林开始接手大桥督造。十余年间,她以丰富的科学和工程学知识、高超的沟通技巧、非凡的管理才能,最终坚定地建成了这座家族遗产,让自己的丈夫活着看见大桥落成。

但艾米丽·罗布林的名字和照片隐匿于各种对布鲁格林大桥的介绍、词条之中。今天,一位年轻的女性结构工程师为我们讲解了布鲁克林大桥的工程原理和建造技术,详述了艾米丽在大桥建造中的巨大贡献,并希望我们记住她的偶像的名字:

艾米丽·沃伦·罗布林。

本文经授权节选自《建造》(北京联合出版公司2022年4月版)第12章“偶像”,标题为编辑所加。

撰文 | [印]罗玛·阿格拉瓦尔(Roma Agrawal)

翻译 | 张依玫

图1. 布鲁克林大桥全景。Юкатан 摄于2008年。

进入会议室开会时,我常常是唯一的女性。我有时会数一数——有时是11个男性加上我,或者17个男性加上我。最多的时候应该是21个男性加上我。我工作时周围都是男性。好笑的是,有时他们脱口说出一句脏话后,会很抱歉地看着我(他们是没见过我在高峰期开车的样子)。我收到过许多封把我称为“阿格拉瓦尔先生”的工作信件——毕竟,如果你无法根据我的姓氏判断出我的性别,选择男性的正确率高达90%以上。原因很简单,同时也让我很失落:在我从事的行业里女性是少数群体。

在男性主导的环境中工作,我面临的挑战是多方面的,有些时候哭笑不得,有些时候令人煎熬。被衣着裸露的女性模特照片围绕的工地办公室中,很难严肃地进行关于有限元建模或者土壤强度报告之类的专业讨论。有一次一位建筑工人问我是否希望穿着“戏服”照相,他指的就是我在考察工地时日常穿着的安全帽和夹克,对我来说这只不过是我工作的一部分。我也听说过行业中其他女性的故事,例如她们在面试时被问到是否打算结婚或者生育(这是违法的)。

还好,这些只是偶尔的情况。最重要的是我热爱我的工作,并且相信任何人只要有恒心有毅力都能够在这一行取得成功。我也承认,作为少数群体也会带来一些优势——人们在会面后更容易记住我,因为我穿着时髦的裙子和高跟鞋谈论混凝土和起重机。这也为我提供了一些不同寻常的机遇,例如拍摄时尚宣传照为工程学代言。

我崇拜的工程师有很多——我在本书中也提到过他们——但艾米丽·沃伦·罗布林(Emily Warren Roebling,图2)在我心中有独特的位置。她与任何不接收女性的大学培养出的任何男工程师相比不分伯仲,而她从未接受过系统的工程学教育,她不过是出于需要而学习。她出色的沟通能力不仅让她获得了工地上工人的尊重,也让当时最高级别的政客对她刮目相看。更重要的是,她监督完成了一项先驱性的工程。

从事建造业的女性在21世纪有着自己的挑战,但在艾米丽生活的时代,人们甚至不相信女性的大脑能够像她一样理解掌握复杂的数学和工程知识。而她的杰作布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge),却成了纽约最鲜明的标志之一。

图2. 我的工程学偶像:艾米丽·沃伦·罗布林。©Everett Collection Historical / Alamy Stock Photo

从很小的时候起,艾米丽就显示出了超凡的智力和对科学的热情。虽然她与长兄古弗尼尔·K.沃伦(Gouverneur K. Warren)年龄相差14岁,关系却十分亲密。古弗尼尔16岁进入西点军校,随后加入测绘工程兵团(Corpsof Topographical Engineers),为建造铁路进行调研,测绘密西西比以西的地区。之后他参加了美国内战,战功卓著,布鲁克林展望公园(Prospect Park)入口处就是他的雕像。古弗尼尔是艾米丽的英雄。父亲去世后他承担起家庭的重担,并鼓励艾米丽发展对科学的兴趣,还帮助她进入女性预备学校乔治敦拜访会女子修道院(Georgetown Visitation Convent)。艾米丽在那里探索科学、历史和地理的同时,还成了一名优秀的骑手。1864年美国内战时,古弗尼尔远征他乡,艾米丽依然历尽艰险前去探望。这期间她认识了古弗尼尔的朋友兼战友华盛顿·罗布林(Washington Roebling)。她一改往日的平和端庄,看到华盛顿的第一眼便坠入了爱河。六周之后,华盛顿献给了她一枚钻戒。

接下来的战争期间,艾米丽写了许多关于自己生活细节的长篇情书,但华盛顿阅后即焚,生怕这些信件让两人的分别更加难熬。艾米丽则相反,将所有收到的信件一一珍藏,不到一年就有了100多封记录着华盛顿思想、恐惧和爱恋的情书。在华盛顿征战沙场时,艾米丽会去看望他的家人,他们对艾米丽也格外喜爱。最终在11个月的千里传书之后,艾米丽与华盛顿·罗布林于1865年1月18日结为夫妇,而艾米丽也自然而然地承担起一位典型的维多利亚时期家庭主妇的角色:在丈夫的身后操持家务。

华盛顿的父亲,约翰·奥古斯都·罗布林(John Augustus Roebling)生于德国,是一位颇有成就的工程师。华盛顿也打算子承父业。1867年约翰便将华盛顿送往欧洲学习建筑,学习内容就包括受古罗马人启发的建造技术。

古罗马人早期建造的结构比较轻、体量小,并不需要地基,因为地面能够起到足够的支撑。但随着他们建造技术的发展,建筑的体量与重量不断增加,古罗马人便意识到了地基能够保证结构不移动或下沉,在建造中起到了关键的作用。在地上建造地基相对容易,只需要将地表较软的泥土挖出,把坚固的石块或混凝土放在更硬更深的土层上就可以了。而在河中——如你所想——就比较复杂了。但古罗马人的发明天赋让他们想出了解决方案。

他们有时会将木头做成地桩打入地下支撑结构。打地桩使用的是打桩机(piledriver),由木板斜向连接成金字塔的形状而构成,高约两层楼。人或牲畜可以通过金字塔顶端连接的滑轮和绳索提起重物。先通过人力尽量将木桩打入地下,然后释放吊着重物的绳索,让重物下坠,将木桩进一步下压,并不断重复这一过程,直到木桩完全被打入地下。

在水中建造地基时,古罗马的工程师会先在地基周围用打桩机打两圈木桩。木桩形成两个同心圆,之间以黏土填实加固。然后将圆中的水抽出,便创造出了一个可以工作的干燥区域(图3)。这种建造方法叫作“围堰”,直到今天仍在使用(前一章提到的泰晤士河潮汐隧道就使用了这一方法),只不过用的是更大的圆桩形或梯形的钢桩。

图3. 古罗马人在水中建造地基的方法。

在抽干的围堰中,古罗马工匠挖出泥土,直至岩石层,或者一直挖到围堰开始漏水。再在坚固的土层上建造一层层的石墩或混凝土墩。(特殊的火山灰混凝土在潮湿浸水的环境中也可以硬化。)桥墩建好后,他们便在上方摞上石块,进一步加固地基,再将泥土回填至原先的高度。石墩、地桩和石块都在河床之下。接着围堰的木桩被移走,河水流回,工人们就可以继续建造桥墩,直至可以支撑大桥结构的高度。

古罗马围堰适用于河水不深的地区。但华盛顿·罗布林希望知道如何在深水区建造。在这种情况下无法使用地桩,因为地桩造得过高,就无法抵御水流的冲击。于是,他开始研究“沉箱”(caissons)。

沉箱是一个顶部密封的箱子,底部可以打开,插入海床或河床的泥土中。(你可以想象把一个杯子倒扣在一盆底部有沙的水中:杯子的沿口会陷入沙子中,杯底则防止水进入其中。)工人通过沉箱表面的一个斜槽进入箱中,另一个斜槽用于运输材料。进入深水中的另一个挑战是,随着深度增加,水压就增加,对沉箱施加的力也就更大。

我们可以使用充气沉箱平衡水压。充气沉箱不过是增加了一项新功能的普通沉箱,即让压缩空气不断泵入其中。压缩空气不仅可以阻止水渗入,还可以平衡沉箱内外的压强。工人可以通过气闸进出。19世纪中期,工程师们就开始使用这一突破性的发明为大桥建造基础(图4),这也令华盛顿·罗布林深深着迷。他甚至考虑过在密闭空间里使用炸药,当时还没有人尝试过。

图4. 布鲁克林大桥建造时使用的巨大沉箱。©Fotosearch / Stinger

艾米丽成了丈夫的研究助手,与他一起学习沉箱技术,并运用在乔治敦拜访会女子修道院学到的科学方法理解工程学。当时她还没有意识到,在沉箱的高压环境中工作最终会导致他们的生活产生灾难性的转折,使夫妇两人的生活都产生了巨大变化。

19世纪末还没有大桥连接布鲁克林和曼哈顿岛。虽然渡轮在东河(East River)间频繁往返,在冬季却由于水面结冰不得不停运。政府面临着巨大的压力解决这一问题,于是通过了一项法案,授权纽约桥梁公司(New York Bridge Company)完成这项工作。

1865年,约翰·奥古斯都·罗布林被任命设计一座横跨东河的大桥,并估算工程成本。投资将在纽约市、布鲁克林市(当时还是两个独立的城市)以及私人投资者间分摊。两年后,约翰·奥古斯都·罗布林开始领导整个项目。

他设计的大桥中段是悬索桥的形式,与我在诺森比亚大学天桥使用的斜拉桥形式十分相似:两者都通过高塔固定桥索,并且桥索始终受到张力,拉起桥面。但两者将张力传导至地面的方式不同。在斜拉桥中,力的传导路径很直接。桥面将桥索向下拉,使其产生张力,桥索与桥塔相连,对桥塔产生压力。然而在悬索桥中,拉着桥面的桥索与另一根悬挂于桥塔之间的“抛物线型桥索”(parabolic cable)相连。(抛物线是一种特殊的线型,如果你有一些数学基础,可以画出y=x2的函数图像,这条函数线就是抛物线。)抛物线型桥索固定在大桥两端的桥基上,对桥塔产生向下的力,将其下压,并将力传导至桥基。这就是两种桥的区别:斜拉桥没有抛物线型桥索(图5)。

图5. 悬索桥与斜拉桥

布鲁克林大桥于1869年动工,但很快就遭遇变故。一场意外使约翰·罗布林感染了破伤风,几个星期后就去世了,甚至没能看到他非凡的工程垒下奠基石。

华盛顿·罗布林自然成了父亲的继任者,承担起项目总工程师的职责。为大桥建造桥墩时,他使用了在欧洲学习期间就让他着迷的沉箱。但他的沉箱比之前的都更为庞大,下沉的位置也更深。两个巨大的沉箱宽50米长30米,顶部压着层层巨石,缓缓沉入水下,一个在纽约一端,另一个在布鲁克林一端。

虽然工程决策看起来很合理,但现实很快打破了纸上谈兵的计划。第一个月的挖掘进程十分缓慢,工程师们开始质疑是否应该放弃,转而使用新的方式。随着一股股黑烟从蒸汽发动机中冒出,工地里堆满了油桶、工具、石块和沙子,关于沉箱中恶劣的工作环境的报道也开始出现。

封闭的环境中十分嘈杂,到处都是灯光的投影,气压影响工人的脉搏,使他们声音微弱。巨大的沉箱内部布满泥泞的土壤,充斥着湿热的空气。随着地层挖掘难度增大——时常会碰到沉箱无法切割的大石块——华盛顿开始试验使用炸药。他担心空气质量和设计对工人的影响,却不知道这时他自己的健康已经受到了巨大威胁。

接下来的几个月里,长时间在地下深处工作让华盛顿气喘、短暂瘫痪、关节和肌肉剧痛。他甚至请了一位医生监测在布鲁克林沉箱中工人的身体情况,因为布鲁克林一端比纽约一端的沉箱更深。华盛顿并没有充分意识到他与工人们面对的健康问题,而对这些症状一笑了之,继续工作。虽然疼痛是暂时的,但四肢的麻痹感没有消退。他得的是“沉箱病”(caisson disease),病因是氮气进入了血液,导致剧烈疼痛[会让患者疼得蜷缩起来,因此这种疾病也被称为“折叠病”(the bends)]甚至是瘫痪或死亡。现在我们知道从高压环境迅速进入低压环境的危害——比如潜水员需要严格控制上升的速度,使氮气得以排出。但在1870年,沉箱还是一种新的发明,虽然工程师们对在深水环境中的作业危害有所了解,但尚未确定防止伤害的机制。

华盛顿陷入了持续的疼痛——胃、关节和四肢都是如此——并且严重抑郁。深受头痛困扰的他丧失了视力,轻微的声响都能使他焦躁不已。他是唯一掌握知识、能够代替父亲管理项目的人,但他的身体不允许他积极参与项目,此时即使是日常的简单工作也让他难以承受。他的精神状态让他不愿与艾米丽之外的人交流。似乎罗布林家族这些年来花在设计与规划大桥上的心血、忍耐和牺牲都将付诸东流。然而,艾米丽在与丈夫和公公相处的时间里,了解了很多桥梁设计与工程的知识,甚至参与了技术研究。于是她开始参与项目。这是巨大的一步——女性参与甚至领导工程项目是史无前例的。尚且不论工地上的工人和投资人是否对她心存疑虑,她自己又是否有信心和决心作为丈夫和工地之间的联络人,甚至承担起总工程师的角色呢?

艾米丽虽然接受过科学教育,但没有系统学习过桥梁设计,于是她开始向丈夫认真学习。她害怕丈夫无法活着见到大桥竣工,便代替他掌管了所有联络工作,定期向公司写信。她无比专注地学习复杂的数学和材料工程学,学习钢铁强度、桥索分析与建造的知识,计算桥索曲率,全面掌握了项目的技术要点。艾米丽坚定地要将这座家族遗产建成。

很快,她意识到仅靠这些技能无法让她成功领导整个项目:她需要与工地上的工人和有权有势的投资者们交流。于是她开始每天视察工地、指导工人工作、回答问题。她一方面监督工程进展,一方面在丈夫和项目的其他工程师之间传递消息。

随着艾米丽的自信心不断增加,她对华盛顿的依靠也越来越少。她凭着直觉做出判断,而她丰富的知识帮她在问题发生之前就做出预测。所有工地上的工作与信件回复都井井有条地记录在案,在会议和活动中她也非常有策略地代表丈夫出面。当官员、工人和承包商前来探望她的丈夫时,她代替丈夫充满权威和自信地回答问题。[在建造过程中曾经对供货商进行过诚信调查。1879年,承包商艾奇摩尔钢铁公司(Edge Moor Iron Company)的代表急于澄清嫌疑,直接给“华盛顿·A.罗布林夫人”写信,且并没有提及希望征求她丈夫的意见。]

然而艾米丽依然是以丈夫的名义工作。开始有传闻说她才是真正的总工程师和大桥建造的幕后主力。新闻对她的介绍也含糊其词:《纽约之星》(New York Star)不乏调侃地将她形容为“一位聪慧的女士,布鲁克林大桥办公室的人已经对她的文风和字迹了如指掌”。在整个建造过程中,罗布林一家将私人生活保护得很好,并没有接受任何媒体的采访。

图6. 建造中的布鲁克林大桥 by George Bradford Brainerd

虽然艾米丽小心翼翼地管理着项目,但问题还是接连发生:成本不断增加;20位工人死于事故和沉箱病;华盛顿的健康状况没有任何好转;所谓的“米勒案”(Miller Suit)提起诉讼。仓库主亚伯拉罕·米勒(Abraham Miller)状告负责建造大桥的两个城市,要求拆除大桥,声称大桥会让贸易转移到费城。他质疑两市提供项目资金的能力,并提供了许多船长、造船师和工程师证人,愿意证明大桥使用的钢索不安全。议员亨利·墨菲(Henry Murphy)是华盛顿父亲长久以来的支持者,全靠他的不懈努力,才让这一案件尘埃落定。甚至连罗布林一家也没有逃脱非议——有传言称他们与钢铁制造商间有幕后交易,并对他们进行了受贿调查,结果最终还他们清白。监管大桥建造的董事会人员更迭,新旧成员之间爆发了政治纷争。接着在1879年,苏格兰的泰河大桥(Tay Bridge)——当时世界上最大最有名的桥梁——在一场暴风中倒塌,75人死亡。《纽约先驱报》(New York Herald)的头条写道:“泰河大桥的灾害是否会在纽约和布鲁克林之间重演?”

虽然艾米丽以丈夫的名义熟练地管理项目,1882年布鲁克林市长还是决定以身体不佳为由撤销华盛顿·罗布林总工程师的职务。市长在董事会发起了解雇华盛顿的动议,要求在下一次会议上投票表决。在激烈的争执、政治斡旋和媒体报告之后,董事们聚集在一起商议,并投出了自己的一票。

董事们以仅三票之差的多数同意让华盛顿·罗布林管理项目直至项目完工。几十年后,当华盛顿被问起艾米丽在大桥建造中起到了什么作用时,他的答案是,她是大桥建造涉及的各类不同性格的人之间“出色的调解人”。我认为她是一位娴熟的谈判专家:耐心倾听各方不同的意见,为大家提供机智的提醒,并且在高度政治化的氛围中缓解困境。艾米丽在这项家族遗产完满竣工方面,功不可没。

大桥向公众开放之前还要进行最后一项检测:测试马在桥上快步走带来的影响。当时,共振——由桥上行人造成的振动——的危害已经为人所知,因此会采取措施保证桥梁在各种交通方式下都坚固安全。艾米丽带着一只象征胜利的活公鸡,成为第一个乘坐马车通过大桥的人。

几个星期后的1883年5月24日,总统切斯特·阿瑟(Chester Authur)为大桥正式剪彩,她有幸陪同总统的仪仗一同通过大桥,而她的丈夫则自豪地从房间中用望远镜注视着她。这一天——之后被指定为“人民日”(The People’s Day)——正式宣告成为布鲁克林的官方节日。五万居民涌上街头庆祝,希望一睹总统和崭新大桥的风采。无数的演说赞颂大桥是“科学的奇迹”,“展现了人类改变自然面貌的惊人能力”。而这座大桥,可以说展现了女性的惊人能力。在庆祝中,华盛顿·罗布林的竞争者之一艾布拉姆·休伊特(Abram Hewitt)说:“艾米丽·沃伦·罗布林的名字将与所有值得赞颂的人性和建造艺术世界中的奇迹紧紧联系起来。”他还将大桥称为“一座永恒的丰碑,纪念一位女性的无私奉献和她的杰出才能,虽然她长久以来无权享受相应的教育”(图7)。

图7. 布鲁克林大桥正式开通仪式。©Stock Montage

今天,支撑大桥的其中一座桥塔上有一块铜版,纪念艾米丽、她的丈夫和她的公公,由布鲁克林工程师协会(Brooklyn Engineers’ Club)捐献,上面刻着(图8):

大桥的建造者们

纪念

艾米丽·沃伦·罗布林

1843—1903

她的信念和勇气帮助她重病的丈夫

华盛顿·A.罗布林上校 总工程师

1837—1926

完成了大桥的建造

大桥设计者是他的父亲

约翰·A.罗布林总工程师

1806—1869

他将毕生献给了这座大桥

在每一项伟大的工程背后

都有一位无私奉献的女性

图8. 布鲁克林大桥上罗布林家族的纪念碑。©Washington Imaging/Alamy Stock Photo

艾米丽·沃伦·罗布林精于技术,并得到了所有与她共事的人的喜爱。她备受尊重,大桥建造的参与者们不论承担什么角色,对项目有怎样的期待,都对她极为敬仰。作为一位女性,她能够在各个社交圈中游刃有余,受到政客、工程师和工人的欢迎,意见受到重视,指令得到遵循,在女性现身建筑工地还是闻所未闻的时代,充分显示了她出色的能力。

作为一位年轻的结构工程师,我现在与艾米丽建造大桥时的年纪相仿,也深刻意识到建造重要地标建筑带来的挑战和压力。但我是在经过了多年的结构工程训练,有了经验、指导和支持之后才面对这些巨大挑战的,并且在这一过程中取得了工程师资格证。艾米丽则是在没有任何正规训练的情况下做到这一切的,她甚至不是一个获得认证的工程师。生活的悲剧迫使她承担起了未曾想过的责任,她却成功且优秀地完成了任务。这不是一座普通的大桥,486米的跨度使它成为当时世界上最长的大桥。这是第一座使用钢悬索的大桥,也是第一座应用如此大体量沉箱,并在其中使用炸药的大桥。这一工程创举直至今天仍在使用。

我在研究中惊讶地发现,人们对于艾米丽贡献的评价差别极大。一些人认为她是项目背后真正的主力,另一些研究则完全没有提及她。但与同时代的女性相比,她的贡献需要被认可。我很开心她的名字被刻在纪念碑上。她是我的偶像,因为在一个女性没有话语权和地位的时代,她面对空前的挑战,使用了工程师所有的技能——专业知识,与工人和利益相关者沟通的能力,以及不屈不挠的意志——创造了当时最先进的大桥。

图9. 布鲁克林大桥 ©Getty Images/Philipp Klinger

作者简介

罗玛·阿格拉瓦尔(Roma Agrawal)是一名拥有物理学位的结构工程师。她一直积极向公众普及工程技术知识,不断鼓励女性投身工程行业,为政策制定者和政府提供关于科学教育的建议。罗玛凭借卓越的专业能力以及对工程技术的成功推广赢得了众多国际奖项,其中包括著名的英国皇家工程院的鲁克奖(Rooke Award)。

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评论
郭绍云
贡士级
好好学习天天向上!
2022-11-20
醉卧松山石
学士级
中国基建世界领先。
2022-11-20
内蒙古四子王旗
太傅级
在一个女性没有话语权和地位的时代,她面对空前的挑战,使用了工程师所有的技能——专业知识,与工人和利益相关者沟通的能力,以及不屈不挠的意志——创造了当时最先进的大桥。
2022-11-20