1924年，在梁启超精心策划、操作下，梁思成与林徽因同去美国宾夕法尼亚大学学习。许多年后，当梁思成谈到自己为何进入建筑专业，并成为中国建筑史一代宗师时，毫不讳言得益于林徽因的启示。梁说“当我第一次去拜访林徽因时，她刚从英国回来，在交谈中，她谈到以后要学建筑。我当时连建筑是什么还不知道，徽因告诉我，那是包括艺术和工程技术为一体的一门学科。因为我喜爱绘画，所以我也选择了建筑这个专业。”爱屋及乌，梁思成先是被林徽因的个人魅力所吸引，尔后才走上建筑这门学术道路。当然，这一抉择与乃父梁启超的思想观念与平时的教导密不可分。颇具学术眼光的梁启超，出于对世界学术前景的了解和关注，很想让儿子到国外学习这些在俗世看来极其偏僻的专业，并对这一学科在中国的发展前途充满期待。梁思成与林徽因结伴抵达美国后，因宾夕法尼亚大学建筑系不收女生，林只好人该校美术学院学习，但仍选修建筑系的课程。
二人赴美入学刚一个月，梁思成的母亲李夫人病逝，梁启超再三阻止梁思成回国奔丧。第二年，林徽因的父亲林长民因参与郭松龄倒戈反对奉系军阀张作霖的战争，不幸被流弹击中身亡。
梁启超亲自写信给梁思成，通知这一不幸的消息，并给予林徽因极大的精神安慰。1927年，林徽因于宾州大学美术学院毕业，旋进耶鲁大学戏剧专业学习舞台美术设计，成为中国向西方学习舞台美术的第一位留学生。同年2月，梁思成获宾大建筑系学士学位，后入哈佛大学攻读并获建筑学硕士学位。根据梁启超的安排，1928年3月21日，梁思成、林徽因在加拿大温哥华梁思成的姐姐梁思顺家中举行了婚礼。
1928年8月，梁启超在国内为梁思成夫妇联系好了工作——去沈阳东北大学创办建筑学系。梁思成担任教授兼系主任，月薪800元；林徽因担任教授，月薪400元。——这是中国大学最早设立的一个建筑学系。此前，梁启超曾在清华为梁、林夫妇联系了教学工作，但后来又改变主意，力主这对小夫妻去沈阳，理由是：“（东北）那边建筑事业将来有大发展的机会，比温柔乡的清华园强多了。但现在总比不上在北京舒服，……我想有志气的孩子，总应该往吃苦路上走。”对梁启超的良苦用心，梁思成夫妇深以为然，表示完全听从父亲的指教。东北大学方面要求梁、林尽快到职，而这个时候梁启超的肾病日趋严重，梁、林这一对周身散发着温热，正沉浸在甜密幸福中的重量级“海归”，不得不中断婚后欧洲的考察和旅行，于这年9月匆匆赶回国内赴东北大学就职。
此时梁启超已病入膏肓，将不久于人世。1929年1月19日，梁启超溘然长逝，与前些年去世的李夫人合葬于北京西山脚下。梁、林夫妇专程从沈阳赶回北平奔丧，并设计了造型简洁、古朴庄重的墓碑。梁思成没有想到，自己一生中所设计的第一件建筑作品，竟是父亲的墓碑。天命人事如此聚合，令人不胜欷歔。
这年8月，林徽因在沈阳生下了一个女儿。为纪念晚年自号“饮冰室主人”的父亲梁启超，梁、林夫妇给女孩取名再冰。
梁、林夫妇在东北大学如鱼得水，工作极其顺利，遗憾的是东北地区严酷的气候对林徽因的健康极其不利。第二年，林徽因那原本有些柔弱的身体受到损伤，肺病复发，不得不返回北平赴香山双清别墅长期疗养。——沈阳回返，标志着林徽因青少年时代的肺病再度开始。自此之后，这种被时人视为像癌症一样不可治愈的肺病，一直与她形影相随，纠缠不休，直至把这位才华横溢的美丽女人拖向死亡的深渊。
由于林徽因身体状况已不允许她重返沈阳东北大学工作和生活，梁思成不得不重新考虑以后的生活方向。恰在这时，一个新的机会出现在面前，这便是中国营造学社的聘请。中国营造学社最早设在北平天安门里西庑旧朝房，后属于中山公园的一部分，是一个民办学术团体的科研机构，主要从事研究中国古代建筑，堪称中国历史上第一家建筑学研究机构。学社的发起人是朱启钤（字桂莘），人称朱桂老。此大佬1872年生于贵州，民国3年（1914年）10月出任北洋政府内务总长，后又代理过国务总理，1915年奉袁世凯之命修缮皇宫时，对营造学产生了浓厚兴趣。1917年，朱启钤在江南图书馆偶然发现了一部湮没日久、由宋代建筑学家李诫（明仲）创作的《营造法式》抄本。此书编成于宋哲宗元符三年（1100年），镂版印刷于宋徽宗崇宁二年（1103年）。朱氏看罢惊为秘籍，将此书借出馆外两次出资刊行，很快引起学术界瞩目。在一片追捧叫好与鼓噪声中，朱启钤头脑一热，索性自筹资金，发起成立了一个专门研究中国古建筑工程学的学术团体——中国营造学社。朱氏自任社长，办公地点就在他的家中，一些国学名家被邀入社成为社员。这时的情形，还是一群对建筑感兴趣的儒生聚在一起谈古论今的沙龙模式，没有形成什么气侯，更没有什么科学研究可言。
1931年“九一八”事变前夕，东北地区弥漫着浓重的火药气味，驻沈阳的日本关东军不断以演习为名进行挑衅，经常闯入校园横冲直撞。为强行修建沈阳——铁岭的铁路，日本人竟把东北大学通往沈阳城里的一条大路截断，树起路障，上书：“随意通行者，格杀勿论”等散发着血腥气味的恐吓标语。政治形势日趋紧张，战争一触即发，东大建筑系“弦歌”正处在断亡绝继之秋。中国营造学社的朱启钤探知此消息，托人捎信，希望梁思成夫妇能加入该社工作。此时东北大学校园内已是老鼠动刀——窝里反了，几位院长之间的派系斗争到了剑拔弩张，不是你死就是我活的地步。梁思成看不惯日本人的横行和校内诸位鼠辈们拳脚相向与明枪暗箭的厮杀，加上林徽因身体不适，已不能回东大工作，于是决定离开他亲手创建的建筑系，一切事务交给当地人童寯料理，回到北平应聘到营造学社担任法式部主任，林徽因继之被聘为营造学社校理之职。
当年梁思成夫妇在美国留学时，梁启超就曾给他寄去过由朱桂钤重印的《营造法式》，但在当时的学术界，对于中国古建筑的科学研究是一块尚未开拓的荒原，而这部《营造法式》更像一个浸在雾中的谜团，无人辨识真正面目。梁思成作为建筑系的学生，对《营造法式》的术语同样不知所云，遂视为“天书”。这个时候，西方学者对于欧洲古建筑，几乎每一处都作了精确的记录、测绘，并有深入而透彻的研究。此种情形，对于渐开眼界的梁、林既是一种启发，又是一种鼓励，两位海外学子似乎突然看到了天光乍泄，一下找到了为之奋斗的目标。梁思成怀着激动之情专门写信给梁启超，谈了自己日后要写成一部《中国宫室史》之类书籍的志向。梁启超接信后大为惊喜，立即回信鼓励说“这诚然是一件大事”，但还需要多方学习研究，才有可能达到目标。正因为梁思成心目中始终怀揣着《营造法式》这部“天书”的不解之谜，以及乃父所鼓励支持并值得终生为之奋斗的一件“大事”的姻缘，才使梁思成最终决定离开东北大学，为实现心中的“大事”转入民办的中国营造学社工作。后来梁、林夫妇有了一个儿子，取名梁从诫，有“跟从李诫”，并以此纪念《营造法式》作者、宋代大建筑学家李诫之寓意。
梁、林夫妇辞归北平不久，东北大学建筑系的毕业生刘致平、莫宗江、陈明达等人，一起来到北平投奔老师梁思成夫妇，从而成为营造学社的骨干。未久，曾毕业于东京高等工业学校建筑科的建筑学家刘敦桢，从南京国立中央大学转赴北平，参加营造学社的工作并出任文献部主任。自此，梁思成、刘敦桢两位建筑学界的健将，构成了营造学社两根顶梁柱，并作为发起人朱启钤的左膀右臂，对学社的未来发挥着举足轻重的作用。
梁思成和林徽因加入中国营造学社，标志着他们古建筑研究学术生涯的开始。这个学社由于梁、林以及刘敦桢等精英的加入和卓有成效的工作，逐渐成为在中国乃至世界享有声誉的学术组织。自然地，中国营造学社本身也为梁、林等人提供了施展才华、实现抱负的舞台。梁思成后来之所以能成为闻名世界的建筑学家、中国古建筑史学的开拓者、文物建筑和历史名城保护的先驱，与他在中国营造学社这段生活经历有极大关系。
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