中国古建筑斗拱结构的原理是什么?

斗拱,又称斗拱、斗科、塔、铺装等,是中国建筑的一种独特结构。在柱顶、前额和屋檐檩条之间或框架之间,结构被称为拱,拱与拱之间的方形木块被称为斗拱。斗拱的产生和发展历史悠久。

中国古建筑斗拱结构的原理是什么?


斗拱这个词相信很多人都很熟悉,也是中国古代建筑最具特色的设计之一。但是,如果我问你斗拱的原理是什么呢?你为什么要这样做?你能说出为什么吗?



想象一下,我们用木头盖房子,最简单的,四根柱子,四根梁,所以直接把梁放在柱子的顶部吗?感觉不是很可靠,就像随意的积木,可以随时分散。


因为没有机制可以防止梁在水平方向移动,所以一点风吹草动,一点摇晃,梁可能会自己滑下来。那我该怎么办呢?


最简单的方法是用胶水把它们粘在一起。这确实是一个很好的方法。事实上,现在很多家具都这样做了。不幸的是,当时祖先的材料科学不发达。没有现在的胶水,他们就不能可靠地粘合木材。


另一种可能的方法是用钉子把它们钉在一起。一方面,就像胶水一样,当时祖先的冶金还不发达,金属钉的力学性能和耐腐蚀性也不尽如人意。另一方面,木材是一种天然的异性材料。换句话说,木材实际上是由一捆木纤维组成的,就像一捆塑料吸管。


拿一根钉子,穿过横梁的末端,垂直敲入柱子,将横梁和柱子钉在一起。此时,钉子与柱子的纤维方向平行。换句话说,钉子实际上是钉在这些平行纤维之间的间隙中,没有特别可靠的连接。这种钉子不能起到很大的作用,远不如垂直于这些纤维方向的钉子好。



当时没有用胶水,用钉子效果不好。我该怎么办?方法是在柱子上开槽,让横梁「坐进」这个槽里。


因为有了这个凹槽,现在直接跟柱子接触的那两根横梁已经嵌进了这个槽里,至少不会往两边滑动了,但是这两根梁还是有可能沿着自己的轴线方向滑动,也就是沿着这个槽的方向来回滑动。


中国古建筑斗拱结构的原理是什么?

另外两根梁像积木一样直接堆叠。同样,我们也可以在一个方向的横梁上开槽,让另一个方向的横梁落入这些槽中。


现在上面的两根梁已经嵌入了下面两根梁的槽中,下面的两根梁已经嵌入了柱子上的槽中。这四根梁不能再滑到两边,因为它们已经嵌入了相应的槽中,两边都无处可去。


但这四根梁仍然可以沿着轴线滑动。你仍然可以给一根梁「抽」出来。事实上,所谓的孔明锁或鲁班锁就是这个原则,因为槽的存在不能移动到两侧,但可以沿着长轴移动。


为了防止梁在轴线方向滑动,我们进一步在柱子的另一个方向开槽,做成一个「十字形」的槽,把两个方向的横梁都嵌进去。


现在再看一遍,下面的两根梁都拔不出来,因为上面的梁已经嵌在柱子里了,完全卡住了下面的梁。


上梁仍然可以拔出,此时我们可以修改槽的大小,做一些榫头,上面的两根梁也卡住了。上面的横梁有四个浅槽,下面另一个方向的横梁有两个通过的槽,这样它们就可以互相咬合,然后嵌入柱子上的十字形槽中。这样,所有的梁都不会滑动。现在这四根梁已经咬合在一起了,没有一根能直接被咬合「抽」出来了。



用专业术语来说,横梁在水平方向上X和Y两个方向的自由是固定的。这是最终的解决方案吗?


还没有。又出现了一个新问题,因为柱子开了一个十字形的槽,损失了很多材料。方柱中间少了一朵十字花。其实只剩下四个角上的一点材料,就是四根棍子卡在横梁上。如果这四根棍子不够结实,突然断了怎么办?


为了解决这个问题,我们可以局部增加柱端部的截面积,使柱端部更大、更厚。这样,即使中间的十字花被移除,剩下的四个角仍然有足够的材料和足够的强度。这就是完成体的结构。


中国古建筑斗拱结构的原理是什么?

如果分解了,是这样的:


不同的组件涂上不同的颜色。底部的红色带十字花的开槽就是所谓的「斗」,中间橙色的横梁叫做「拱」,顶部绿色横梁的另一个方向是所谓的「昂」。


同样的原理,以此类推,在拱和昂上再放一个斗,在拱和昂上再放一个斗,层层叠叠,也就是我们常见的古建筑上的斗拱。


即使在今天,许多家具仍然使用类似的原理。比如这种茶几。



一个腿和两个方向的横梁,同样是「斗」「拱」和「昂」。这种做法在今天的家具中仍然很常见。


做家具绰绰有余,因为家具的重量很有限。做个小房子还可以,但是大楼会很难。


因为大型建筑的自重比家具大得多,所以承载能力要大得多,这就是为什么古建筑的斗拱形状很大。


另一方面,斗拱表明我的建筑面积大、体积大、重量大,表明我能负担得起这样的建筑,所以斗拱的大小已经成为等级的象征,甚至具有装饰性质的斗拱。


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