摘要：本文从巴黎圣母院的结构说起，根据其受力形式，简单分析了该结构不适合消防飞机救火的原因。

1、巴黎圣母院

巴黎圣母院的大火，让人非常难以接受，尽管巴黎圣母院仅仅是个建筑，但是其承载了800年的历史，是文化的积淀。15日黄昏发现火情，3小时后火情得到控制，基本保住了圣母院的主体结构，然而屋顶中后部位结构、中轴塔难以幸免。

巴黎圣母院的大火烧掉了最高的中轴塔

巴黎圣母院始建于1163年，历史182年完工。这段时间内，中国历史从宋朝进入了元朝。真正让巴黎圣母院广为人知的，应该是雨果的同名小说，好在敲钟人卡西莫多住的塔楼并未遭殃。巴黎圣母院是典型的哥特式建筑，这类建筑由罗马式建筑发展而来，后又被文艺复兴建筑继承。其建筑特色包括尖形拱门、肋状拱顶与飞扶壁。

起火前的巴黎圣母院

2、哥特式建筑特色

哥特式建筑特点在于高瘦，外观上瘦骨嶙峋，室内则基本没有墙体，取而代之的是大面积的花窗玻璃。因此，哥特式建筑基本上是框架式结构，立柱和横梁是主要的承载结构。框架结构对于低层建筑具备了足够的承载能力，节省了大量的墙体材料，用玻璃取而代之，增加了照明度。

巴黎圣母院两侧的玫瑰窗

哥特式建筑除了横梁外，还有很多拱形结构（肋架券、尖肋拱顶、飞扶壁），除了更加美观之外，拱形结构对均布载荷更加具有承载能力。

哥特式建筑基本上是框架式结构

3、巴黎圣母院结构的力学分析

巴黎圣母院主体结构所用的材料为石头和木头。石头作为立柱等主要的承载结构，在本次大火中得以幸免于难。在拱形结构中，也有用石头累计叠加而成，如下图。在哥特式建筑中，很多的横梁结构都被设计成拱形结构。

法国亚眠大教堂

3.1 立柱

以单个立柱为例，主要的力有自身重力，屋顶压力，地面支撑力，三者平衡。由于岩石具有较好的抗压性能（抗压强度可达100MPa），这就使得立柱的横截面积可以尽量的小，从而为花窗提供更大的空间。

立柱的受力分析

但是，横截面积的减小，降低了立柱的抗侧弯能力。假设立柱上方有一不可知的外力，那么在底部就会产生较大的力矩。此时，较细的立柱就可能会无法承受这个弯矩。

3.2 拱形

拱形结构是脆性材料利用的一个非常好的方式，并且具有非常悠久的历史，我国古代的赵州桥就是一个很好的实例。这种结构可以承受较大的压力，可以用作拱形门之类的结构。

拱形结构受力分析

拱形结构受力分析如上图，去其中一个岩石作为研究对象，通过分析可以发现，该岩石处于受压的状态下。拱形结构利用了材料的抗压极限较好的有点，提升了结构的承载能力。

3.3 屋顶

巴黎圣母院的屋顶，除了一些必要的承力结构采用石头作为材料，其他绝大部分为了减轻自重，采用的是木材，这也是此次大火烧起来的原因。

巴黎圣母院屋顶

从巴黎圣母院内景图可以看到，屋顶主要承力结构与立柱相连（黄色），其他为棚状结构，除了装饰和防水，在力学上并不起作用。

4、消防飞机救火

4.1 消防飞机救火方式

消防飞机救火多用于森林火灾之类的大面积扑火。发生火情时，消防飞机满载水量，飞到失火区域上空，然后打开舱门，直径倾倒而下。消防飞机具有超大容量的水箱，美国最大的消防飞机改于波音747，可携带75m3的水，即75吨水。

消防飞机放水

消防飞机的救火，不像地面救火依靠水管喷水，而是打开阀门后，直接依靠重力落下。量大、集中是其明显的特点。

4.2 水的撞击力

一吨重的水，从相对高度10m的高度落下，具备的能量达100KJ。虽然水是液体，落下后的撞击力并没有石头那么大，但是1吨的水，从10m高空落下，也能把人撞倒，甚至撞晕。质量越大，撞击力就越大。

前面我们已经知道圣母院的结构瘦骨嶙峋，瘦高是其直观特点，这类结构抗侧弯能力弱。飞机抛下成吨的水后，由于飞机的飞行路线，水不可能垂直落下，有相当一部分的能量就被用于撞向结构的侧面，而这肯定是灾难性的。这部分水，除了把屋顶的大火扑灭外，也能直接压垮屋顶，推倒立柱。这个消防飞机上的水，就如同一个不会爆炸的炮弹一样，直接摧毁其所有接触到的结构。

虽然，我非常想计算一下这个撞击力究竟有多大，但是鉴于计算的时间成本，我放弃了。