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故宫斗拱的力与美

2019-08-09 07:56 来源:科技日报 周 乾

  每年暑期,故宫游人如织。作为我国优秀传统建筑文化的代表,紫禁城古建筑有着诸多吸引国内外游客的魅力,其中的典型特色之一就是斗拱。斗拱是我国特有的古建筑组成部分,是位于柱顶之上、屋檐之下的由斗形、弓形的木构件在纵横方向搭扣连接,而后在竖向又层层叠加起来的组合木构件,其外形犹如撑开的伞。我国古建筑学家梁思成先生曾说:“斗拱在中国建筑上的地位,犹柱饰之于希腊罗马建筑;斗拱之变化,谓为中国建筑之变化,亦未尝不可,犹柱饰之影响欧洲建筑,至为重大。”

  斗拱源自高大宫殿屋顶出檐深远的要求。早期的宫殿建筑往往采用斜撑的木柱来支撑宽大的屋檐,斜撑分别设于屋檐的前后方。而为了避免落地的斜撑受雨水侵蚀,其下支点便离开了地面,称为短斜撑,并随着审美需求逐渐被弯曲的木料替代,形成了今天斗拱的横向重要构件——翘。同时,为了增强柱顶部位支撑屋檐的强度,柱顶之上又增加了斗形木块,木块上方沿着屋檐方向叠加长方形的垫木,这些长方形的垫木因审美需要逐渐变成弓形,形成了今天斗拱纵向的重要构件——拱。

  紫禁城古建筑的斗拱类型很丰富,如位于两根立柱之间的斗拱称为平身科斗拱,位于柱顶之上的斗拱为柱头科斗拱,位于建筑四个转角部位的斗拱称为角科斗拱等。斗拱的初始功能是支撑屋檐,并把屋顶的重量往下传递给柱子。其历史发展过程是由构造简单到复杂,功能由纯粹的支撑到集建筑力学、美学于一体。

  紫禁城古建筑的斗拱体现了造型之美。斗拱在屋檐之下,整体排列有序,富有节奏和韵律变化,不同类型的斗拱在同一高度范围排列规则有序,由下至上尺寸统一逐渐增大,各斗拱出踩尺寸相同,斗拱外形的曲线整齐划一、弧度优美,给人以极强的艺术感和节奏感。斗拱的造型之美还体现在均匀对称性,各个构件高度、宽度基本相同,仅在长度及外型上根据整体需要而有不同差别:一方面斗拱的正立面,其左右两侧的构件种类和数量对称布置;另一方面,斗拱侧立面,以正心枋为中心,斗拱向内外出挑的踩数相同。上述均匀、对称的布置形式给人以舒适、愉悦的感觉。

  不仅如此,斗拱在造型上还有统一协调之美。各构件截面形状统一,均为方形或者矩形;侧立面外形统一,均犹如倒立的三角形;斗拱位置统一,均位于柱顶之上、屋檐之下,这种统一性在视觉上给人以抽象的整体之美。斗拱整体与上部倾斜的屋檐、下部垂直的柱子形成完美过渡,既能反映屋架简洁明确的特征,又可体现斗拱自身优美的造型。

  不仅具有建筑之美,紫禁城斗拱运用的另一个重要特征,是其中蕴含了丰富的力学智慧。斗拱由很多小尺寸的木构件在水平和竖向拼插、叠加而成。尽管这些木构件尺寸很小,但当它们组成一个斗拱整体时,就会产生巨大的力量。在一般情况下,斗拱位于屋檐的下方,承担整个屋顶的重量,并把该重量向下传递给额枋、柱子。紫禁城古建筑屋顶有着厚厚的泥背层,但能够被斗拱轻松承担,且斗拱不会产生破坏,可反映斗拱有很好的竖向承载能力。这种良好竖向承载能力主要有两方面原因:一方面,尽管紫禁城古建筑屋顶重量很大,但是这个重量由多个斗拱承担,每个斗拱实际上承担的屋顶重量较小,这相当于对屋顶重量进行了分解;另一方面,尽管斗拱由大量的小截面尺寸木构件组成,但它们数量众多,且每个构件均可分担屋顶重量,这样一来,传到斗拱上的屋顶重量进行了第二次分解,此时传到斗拱构件单体上的作用力已经很小了,因而斗拱构件单体不会产生破坏。

  斗拱的力学智慧精华在于它的抗震性能。无论是水平向还是竖向的地震波,都不会造成斗拱破坏。发生地震时,斗拱的各个构件之间互相摩擦、挤压,并产生往复运动,犹如一个运动的机构体系。从能量守恒角度讲,地震波的能量传到斗拱位置时,主要分成了2部分能量:斗拱的内能及斗拱的动能,斗拱内能即自身产生开裂破坏的根本原因,内能越大,斗拱破坏越严重。然而斗拱能量的另一个组成部分即动能占的比例远大于自身的内能,其原因在于每个斗拱由上百个小构件组成,它们犹如机器的零件一样,在地震作用下不断产生各种运动,耗散了大量的地震能量,从而使得斗拱内能的比例很小,因而斗拱在地震作用下几乎不会产生破坏。事实上,大量的古建震害勘查结果表明,斗拱在地震作用下一般保存完好。

  不仅如此,地震作用下,斗拱还能产生自动恢复功能,犹如不倒翁一样,其原因在于斗拱特殊的构造特征。斗拱整体构造特点是上部体积大但构件单体截面尺寸小、下部体积小但构件单体截面尺寸大,其中截面尺寸最大的为方形的坐斗,位于斗拱的最底层。这种构造特征使得:一方面斗拱的重心位于斗拱的下方,斗拱犹如一个矮胖的人,在水平地震力(推拉力)作用下尽管产生摇摆,但是不易倾覆;另一方面坐斗的截面尺寸宽大,这无疑增大了斗拱与其底部的接触面,斗拱在水平地震作用下产生摇摆时,分别绕着坐斗两侧的支点进行摇摆。而在斗拱摇摆过程中,其上部屋顶的重量迫使斗拱不断地复位,因而斗拱像不倒翁一样,不断地来回摆动。地震波结束后,斗拱又恢复到了初始位置,本身并未受到损害。

  可以认为,紫禁城古建筑斗拱的运用体现了我国古建筑的力与美,是我国古代工匠汗水与智慧的结晶。

  (作者系故宫博物院研究馆员)

(责任编辑:王蔚)

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