中國古建筑斗拱結構的原理是什么?
斗拱,又稱斗拱、斗科、塔、鋪裝等,是中國建筑的一種獨特結構。在柱頂、前額和屋檐檁條之間或框架之間,結構被稱為拱,拱與拱之間的方形木塊被稱為斗拱。斗拱的產生和發展歷史悠久。
斗拱這個詞相信很多人都很熟悉,也是中國古代建筑最具特色的設計之一。但是,如果我問你斗拱的原理是什么呢?你為什么要這樣做?你能說出為什么嗎?
想象一下,我們用木頭蓋房子,最簡單的,四根柱子,四根梁,所以直接把梁放在柱子的頂部嗎?感覺不是很可靠,就像隨意的積木,可以隨時分散。
因為沒有機制可以防止梁在水平方向移動,所以一點風吹草動,一點搖晃,梁可能會自己滑下來。那我該怎么辦呢?
最簡單的方法是用膠水把它們粘在一起。這確實是一個很好的方法。事實上,現在很多家具都這樣做了。不幸的是,當時祖先的材料科學不發達。沒有現在的膠水,他們就不能可靠地粘合木材。
另一種可能的方法是用釘子把它們釘在一起。一方面,就像膠水一樣,當時祖先的冶金還不發達,金屬釘的力學性能和耐腐蝕性也不盡如人意。另一方面,木材是一種天然的異性材料。換句話說,木材實際上是由一捆木纖維組成的,就像一捆塑料吸管。
拿一根釘子,穿過橫梁的末端,垂直敲入柱子,將橫梁和柱子釘在一起。此時,釘子與柱子的纖維方向平行。換句話說,釘子實際上是釘在這些平行纖維之間的間隙中,沒有特別可靠的連接。這種釘子不能起到很大的作用,遠不如垂直于這些纖維方向的釘子好。
當時沒有用膠水,用釘子效果不好。我該怎么辦?方法是在柱子上開槽,讓橫梁「坐進」這個槽里。
因為有了這個凹槽,現在直接跟柱子接觸的那兩根橫梁已經嵌進了這個槽里,至少不會往兩邊滑動了,但是這兩根梁還是有可能沿著自己的軸線方向滑動,也就是沿著這個槽的方向來回滑動。
另外兩根梁像積木一樣直接堆疊。同樣,我們也可以在一個方向的橫梁上開槽,讓另一個方向的橫梁落入這些槽中。
現在上面的兩根梁已經嵌入了下面兩根梁的槽中,下面的兩根梁已經嵌入了柱子上的槽中。這四根梁不能再滑到兩邊,因為它們已經嵌入了相應的槽中,兩邊都無處可去。
但這四根梁仍然可以沿著軸線滑動。你仍然可以給一根梁「抽」出來。事實上,所謂的孔明鎖或魯班鎖就是這個原則,因為槽的存在不能移動到兩側,但可以沿著長軸移動。
為了防止梁在軸線方向滑動,我們進一步在柱子的另一個方向開槽,做成一個「十字形」的槽,把兩個方向的橫梁都嵌進去。
現在再看一遍,下面的兩根梁都拔不出來,因為上面的梁已經嵌在柱子里了,完全卡住了下面的梁。
上梁仍然可以拔出,此時我們可以修改槽的大小,做一些榫頭,上面的兩根梁也卡住了。上面的橫梁有四個淺槽,下面另一個方向的橫梁有兩個通過的槽,這樣它們就可以互相咬合,然后嵌入柱子上的十字形槽中。這樣,所有的梁都不會滑動。現在這四根梁已經咬合在一起了,沒有一根能直接被咬合「抽」出來了。
用專業術語來說,橫梁在水平方向上X和Y兩個方向的自由是固定的。這是最終的解決方案嗎?
還沒有。又出現了一個新問題,因為柱子開了一個十字形的槽,損失了很多材料。方柱中間少了一朵十字花。其實只剩下四個角上的一點材料,就是四根棍子卡在橫梁上。如果這四根棍子不夠結實,突然斷了怎么辦?
為了解決這個問題,我們可以局部增加柱端部的截面積,使柱端部更大、更厚。這樣,即使中間的十字花被移除,剩下的四個角仍然有足夠的材料和足夠的強度。這就是完成體的結構。
如果分解了,是這樣的:
不同的組件涂上不同的顏色。底部的紅色帶十字花的開槽就是所謂的「斗」,中間橙色的橫梁叫做「拱」,頂部綠色橫梁的另一個方向是所謂的「昂」。
同樣的原理,以此類推,在拱和昂上再放一個斗,在拱和昂上再放一個斗,層層疊疊,也就是我們常見的古建筑上的斗拱。
即使在今天,許多家具仍然使用類似的原理。比如這種茶幾。
一個腿和兩個方向的橫梁,同樣是「斗」「拱」和「昂」。這種做法在今天的家具中仍然很常見。
做家具綽綽有余,因為家具的重量很有限。做個小房子還可以,但是大樓會很難。
因為大型建筑的自重比家具大得多,所以承載能力要大得多,這就是為什么古建筑的斗拱形狀很大。
另一方面,斗拱表明我的建筑面積大、體積大、重量大,表明我能負擔得起這樣的建筑,所以斗拱的大小已經成為等級的象征,甚至具有裝飾性質的斗拱。