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故宮斗拱的力與美

2019-08-20 10:01:19    科技日報

每年暑期,故宮游人如織。作為我國優秀傳統建筑文化的代表,紫禁城古建筑有著諸多吸引國內外游客的魅力,其中的典型特色之一就是斗拱。斗拱是我國特有的古建筑組成部分,是位于柱頂之上、屋檐之下的由斗形、弓形的木構件在縱橫方向搭扣連接,而后在豎向又層層疊加起來的組合木構件,其外形猶如撐開的傘。我國古建筑學家梁思成先生曾說:“斗拱在中國建筑上的地位,猶柱飾之于希臘羅馬建筑;斗拱之變化,謂為中國建筑之變化,亦未嘗不可,猶柱飾之影響歐洲建筑,至為重大。”

  斗拱源自高大宮殿屋頂出檐深遠的要求。早期的宮殿建筑往往采用斜撐的木柱來支撐寬大的屋檐,斜撐分別設于屋檐的前后方。而為了避免落地的斜撐受雨水侵蝕,其下支點便離開了地面,稱為短斜撐,并隨著審美需求逐漸被彎曲的木料替代,形成了今天斗拱的橫向重要構件——翹。同時,為了增強柱頂部位支撐屋檐的強度,柱頂之上又增加了斗形木塊,木塊上方沿著屋檐方向疊加長方形的墊木,這些長方形的墊木因審美需要逐漸變成弓形,形成了今天斗拱縱向的重要構件——拱。

  紫禁城古建筑的斗拱類型很豐富,如位于兩根立柱之間的斗拱稱為平身科斗拱,位于柱頂之上的斗拱為柱頭科斗拱,位于建筑四個轉角部位的斗拱稱為角科斗拱等。斗拱的初始功能是支撐屋檐,并把屋頂的重量往下傳遞給柱子。其歷史發展過程是由構造簡單到復雜,功能由純粹的支撐到集建筑力學、美學于一體。

  紫禁城古建筑的斗拱體現了造型之美。斗拱在屋檐之下,整體排列有序,富有節奏和韻律變化,不同類型的斗拱在同一高度范圍排列規則有序,由下至上尺寸統一逐漸增大,各斗拱出踩尺寸相同,斗拱外形的曲線整齊劃一、弧度優美,給人以極強的藝術感和節奏感。斗拱的造型之美還體現在均勻對稱性,各個構件高度、寬度基本相同,僅在長度及外型上根據整體需要而有不同差別:一方面斗拱的正立面,其左右兩側的構件種類和數量對稱布置;另一方面,斗拱側立面,以正心枋為中心,斗拱向內外出挑的踩數相同。上述均勻、對稱的布置形式給人以舒適、愉悅的感覺。

  不僅如此,斗拱在造型上還有統一協調之美。各構件截面形狀統一,均為方形或者矩形;側立面外形統一,均猶如倒立的三角形;斗拱位置統一,均位于柱頂之上、屋檐之下,這種統一性在視覺上給人以抽象的整體之美。斗拱整體與上部傾斜的屋檐、下部垂直的柱子形成完美過渡,既能反映屋架簡潔明確的特征,又可體現斗拱自身優美的造型。

  不僅具有建筑之美,紫禁城斗拱運用的另一個重要特征,是其中蘊含了豐富的力學智慧。斗拱由很多小尺寸的木構件在水平和豎向拼插、疊加而成。盡管這些木構件尺寸很小,但當它們組成一個斗拱整體時,就會產生巨大的力量。在一般情況下,斗拱位于屋檐的下方,承擔整個屋頂的重量,并把該重量向下傳遞給額枋、柱子。紫禁城古建筑屋頂有著厚厚的泥背層,但能夠被斗拱輕松承擔,且斗拱不會產生破壞,可反映斗拱有很好的豎向承載能力。這種良好豎向承載能力主要有兩方面原因:一方面,盡管紫禁城古建筑屋頂重量很大,但是這個重量由多個斗拱承擔,每個斗拱實際上承擔的屋頂重量較小,這相當于對屋頂重量進行了分解;另一方面,盡管斗拱由大量的小截面尺寸木構件組成,但它們數量眾多,且每個構件均可分擔屋頂重量,這樣一來,傳到斗拱上的屋頂重量進行了第二次分解,此時傳到斗拱構件單體上的作用力已經很小了,因而斗拱構件單體不會產生破壞。

  斗拱的力學智慧精華在于它的抗震性能。無論是水平向還是豎向的地震波,都不會造成斗拱破壞。發生地震時,斗拱的各個構件之間互相摩擦、擠壓,并產生往復運動,猶如一個運動的機構體系。從能量守恒角度講,地震波的能量傳到斗拱位置時,主要分成了2部分能量:斗拱的內能及斗拱的動能,斗拱內能即自身產生開裂破壞的根本原因,內能越大,斗拱破壞越嚴重。然而斗拱能量的另一個組成部分即動能占的比例遠大于自身的內能,其原因在于每個斗拱由上百個小構件組成,它們猶如機器的零件一樣,在地震作用下不斷產生各種運動,耗散了大量的地震能量,從而使得斗拱內能的比例很小,因而斗拱在地震作用下幾乎不會產生破壞。事實上,大量的古建震害勘查結果表明,斗拱在地震作用下一般保存完好。

  不僅如此,地震作用下,斗拱還能產生自動恢復功能,猶如不倒翁一樣,其原因在于斗拱特殊的構造特征。斗拱整體構造特點是上部體積大但構件單體截面尺寸小、下部體積小但構件單體截面尺寸大,其中截面尺寸最大的為方形的坐斗,位于斗拱的最底層。這種構造特征使得:一方面斗拱的重心位于斗拱的下方,斗拱猶如一個矮胖的人,在水平地震力(推拉力)作用下盡管產生搖擺,但是不易傾覆;另一方面坐斗的截面尺寸寬大,這無疑增大了斗拱與其底部的接觸面,斗拱在水平地震作用下產生搖擺時,分別繞著坐斗兩側的支點進行搖擺。而在斗拱搖擺過程中,其上部屋頂的重量迫使斗拱不斷地復位,因而斗拱像不倒翁一樣,不斷地來回擺動。地震波結束后,斗拱又恢復到了初始位置,本身并未受到損害。

  可以認為,紫禁城古建筑斗拱的運用體現了我國古建筑的力與美,是我國古代工匠汗水與智慧的結晶。(周乾)


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