斗拱这个名词相信很多人都耳熟能详,也是中国古建筑最具特色的设计之一。

但是,如果我问您斗拱的原理是什么?为什么非要把木头做成这个样子?您能解释给我听吗?您能说出个所以然来吗?

如果您解释不出来,只是在百度百科上读过几行似是而非的文字,那又怎么能评判它是不是符合力学原理呢?是不是老祖宗智慧的结晶呢?


设想我们用木料盖房子,最简单的,四根立柱,四根横梁,比如下图这样:

这样直接把横梁放在柱子上头的做法行不行呢?感觉不太牢靠,就像是随便搭的积木,随时都能散架。

因为没有任何机制能阻止横梁在水平方向的移动,所以一点风吹草动,一点点晃动,可能横梁就自己滑下来了。

那怎么办呢?

最简单的,用胶水把它们粘在一起就解决了。

这的确是个好方法,事实上现在的很多家具就是这么做的。

可惜,老祖宗那时候的材料科学不发达,没有现在的胶水,做不到可靠的把木头粘接起来。

另一个可能的方法,用钉子把它们钉在一起。

一方面,跟胶水一样,老祖宗那时候的冶金不发达,金属钉子的力学性能、抗腐蚀性能都不能令人满意。

另一方面,木材是天然的各向异性材料。也就是说,一根木料其实是一捆木质纤维集合在一起组成的,就像是一捆塑料吸管绑在一起。类似这样:

正因为如此,如果像下图那样,拿一根钉子,穿过横梁的端头,竖直着敲进柱子,把横梁和柱子钉在一起,这时候这根钉子是平行于柱子的纤维方向的。也就是说,钉子其实是钉在了这些互相平行的纤维之间的缝隙里,并没有特别可靠的连接。这样的钉子发挥不了太大的作用,远远比不上垂直于这些纤维方向钉进去的钉子。

用胶水吧那时候没有,用钉子吧效果又不好,那怎么办呢?

方法就是下图这样,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。

另外那两根梁还是像积木一样直接摞上去的,同样的方法,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到这些槽里。

现在上面的这两根横梁已经嵌进了底下的这两根横梁的槽里,底下的两根横梁已经嵌进了柱子上的槽里。

这四根横梁都已经不能往两边滑动了,因为已经各自嵌进了对应的槽里,两边无处可去。

但是这四根横梁依然可以沿着轴线方向滑动。比如说,我依然可以把一根横梁给「抽」出来。事实上,所谓的孔明锁或者叫鲁班锁就是这个原理,因为槽的存在,不能向两边移动,但是可以沿长边的轴线方向移动。(孔明锁或者鲁班锁,其他国家叫 Burr puzzle,最早是 1785 年德国玩具商生产的,最早出现在中文里是 1889 年唐再丰编写的《中外戏法图说》)

为了阻止横梁在轴线方向可能的滑动,我们再进一步,在柱子的另一个方向也开槽,做成一个「十字形」的槽,把两个方向的横梁都嵌进去。就像这样:

现在再看一下,底下的这两根横梁已经抽不出来了,因为上面的横梁已经嵌进了柱子里,彻底把底下的横梁卡死在里面了。

上面的横梁还是可以被抽出来,这时候我们可以修改一下开槽的尺寸,做出一些榫头来,把上面的这两根横梁也卡住。比如像下图这样,上面的那个横梁开四个浅的凹槽,底下另一个方向的横梁开两个贯通的槽,这样就可以互相咬合在一起,然后一起嵌进柱子上那个十字形的槽里。这样就保证了所有的梁都不会滑动。现在这四根梁已经都咬合在一起,没有一根能够被直接「抽」出来了。

现在我们的结构已经是下图这样的了。用专业术语说的话,就是横梁在水平方向上 X 和 Y 两个方向的自由度都被固定了。

那这是不是最终的解决方案呢?

还不是。又来了一个新问题,因为柱子被开了个十字形的槽,损失了很多材料,方形的柱子中间少了个十字花,其实只剩下了四个角上那一点点材料,也就是那四个小棍在卡住横梁。万一这四个小棍不够结实,一下子给断了呢?

为了解决这个问题,我们可以局部的增加柱子端头的截面积,把柱子的端头做大做粗。像下图这样,这样即使去掉了中间的那个十字花,剩下的四个角依然有足够的材料,依然足够结实。

这就是完成体的结构。

分解开来的话,是这样的:

我给不同的组件涂了不同的颜色。最下面红色的这个带十字花的开槽的就是所谓的「斗」,中间橙色的这个横梁就是所谓的「拱」,最上面绿色的另一个方向的横梁就是所谓的「昂」。

对比下图这个真实的「斗拱」,是不是原理是一样的?

同样的原理,依此类推,在拱和昂上面各自再放一个斗,上面再放各自的拱和昂,一层一层的叠上去,也就是我们常见的古建筑上的斗拱了。

即使是今天,很多家具依然用类似的原理。

比如这种茶几。

一个腿和两个方向的横梁,同样是「斗」「拱」和「昂」。这样的做法在今天的家具里依然很常见。

这种做法做个家具绰绰有余,因为家具的重量十分有限。

做个小房子也还是可以的,但是大尺寸的建筑物就会吃力了。

因为大尺寸的建筑物的自重比家具大得多,所以需要的承载能力也要大得多,这也就是为什么古建筑的斗拱体形都非常之大。

反过来,斗拱大说明我建筑物的面积大、体积大、重量大,说明我盖得起这样的建筑物,所以斗拱的尺寸也变成了等级的象征,甚至有了装饰性质占主要目的的斗拱。

对于现代木结构来说,因为我们今天的材料科学、冶金工艺早就突飞猛进了,所以斗拱这种做法没有什么实际意义了。

一根立柱和两个方向的两根横梁连在一起,买一个金属连接件,问题解决。

木材经过防腐蚀和防火处理,金属材质也是耐候材质的,无需担心年久失修。注意看现代木结构节点,螺栓也是以穿过木材为主,垂直于木材纤维的方向。

实现同样的目的,过去需要费尽气力做一层一层的斗拱,现在只需要一个金属件。因为金属单位体积的力学性能比木材强太多,所以节点的尺寸可以大大减小。


好了,留个课后题,斗拱结构到底是否符合力学原理呢?

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如何成为一个业余木匠,需要有哪些准备?

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:猪小宝

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