中國古建筑中的力學(xué)應(yīng)用之美

【摘 要】建筑是人類為適應(yīng)生存、發(fā)展和追求的需要，將結(jié)構(gòu)力學(xué)糅合審美價值而創(chuàng)造出來的勞動成果，是人類智慧在生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域的結(jié)晶。拱橋是通過一個水平推力把原本由荷載產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力變成壓應(yīng)力的科學(xué)創(chuàng)造，滿載流動之美。斗拱是我國木構(gòu)架建筑特有的結(jié)構(gòu)力學(xué)構(gòu)件，設(shè)計嚴謹、形式靈活，紛呈多姿之美。穹頂是運用結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，以周圍墻體為支點的一種古代建筑頂層結(jié)構(gòu)，多有精美雕刻，賦含神秘之美。研究古建筑并加以運用，能大大促進力學(xué)與美學(xué)的完美結(jié)合；以便在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，讓中國古建筑的力學(xué)應(yīng)用之美得以傳承，創(chuàng)造人類智慧的最新精品建筑工程。

【關(guān)鍵詞】古建筑；力學(xué)；拱形；穹頂；美

自古以來，建筑都是人類為更好地適應(yīng)生存、促進發(fā)展和滿足追求美好的需要，將固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)糅合審美價值而創(chuàng)造出來的基本的、重要的、高級的物質(zhì)形態(tài)，是人類勞動在生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域的智慧結(jié)晶。建筑一經(jīng)成形使用，就遠遠超越了它本身，不再單純是一個建筑，而是具有實物存在性、自然獨立性、精神支撐性、文化傳承性和社會象征性的一種標(biāo)識人類社會發(fā)展軌跡的特殊載體了。

中國古建筑造型精美，風(fēng)格別致，科學(xué)地運用固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，深度糅合美學(xué)元素，深度詮釋了力與美的完美結(jié)合。

拱橋的流動之美

拱形是自然界常見的一種結(jié)構(gòu)，人類建筑利用拱形，正是受自然界的山洞、樹洞等中空的實物啟發(fā)，結(jié)合建筑實際由初步摸索、嘗試，進而逐漸走向成熟的。

拱橋的力學(xué)原理，是通過一個水平推力把原本由荷載產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力變成壓應(yīng)力或者大部分轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。拱區(qū)別于梁的最大之處就是存在水平推力，如果這個水平推力和支座反彈力，以及作用于其上的荷載合力作用點和方向剛好通過拱的軸線，這樣的拱形就是合理的，并且是只受壓應(yīng)力的。具體說，拱橋結(jié)構(gòu)是把垂直的縱向力，通過橋身弧結(jié)構(gòu)內(nèi)力轉(zhuǎn)化為橫向力，最后作用到兩邊的基體——基座或支座，既承受垂直壓力、又承受水平推力，所以建造拱橋要求兩邊的基座穩(wěn)固堅實。

中國古代很多橋梁結(jié)構(gòu)都采用拱形，不僅因為拱的弧形比直粱更穩(wěn)定，同時也考慮到實用和美觀。其中最著名的趙州橋，歷經(jīng)一千多年風(fēng)雨沖刷和洪水地震考驗，至今仍發(fā)揮著重要作用。

拱形結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點，其圓弧幾何形狀提高了抵抗外荷載產(chǎn)生的彎矩，能覆蓋較大空間，外形也很美觀。但是，由于拱形荷載的變異性，拱截面上有時不可避免的存在超負荷彎矩，這就制約了它的跨度進一步增加，因此就出現(xiàn)了多拱接續(xù)的大型古建筑。

斗拱的多姿之美

斗拱是中國傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)建筑中運用結(jié)構(gòu)力學(xué)的獨有構(gòu)件，常用于柱頂、額枋、屋檐或構(gòu)架間。既是解決屋頂出檐的重要手段，又是柱梁之間的華麗飾物，大大豐富了中國古典建筑的樣式風(fēng)格。

作為古建筑中的特色構(gòu)件之一，斗拱科學(xué)運用了結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，是我國木構(gòu)架建筑特有的重要建筑形式。斗拱由方形的斗、升和矩形的栱、斜的昂組成；或是由若干弧形的栱件，相互垂直拼接、卯合疊加而成。斗拱最初孤立置于柱上或挑梁外端，起著傳遞梁的荷載于柱身和支承屋檐重量以增加出檐幅度的作用。其優(yōu)勢在于：第一，在結(jié)構(gòu)上出挑承重，將屋頂?shù)拇竺娣e載荷分散攤開，均勻平推；第二，作為建筑屋頂外溢墻體的過渡，增加屋檐寬度、延長滴水距離、擴容建筑利用面積；第三，結(jié)構(gòu)緊實堅固，安穩(wěn)程度可靠，抗震動能力強。第四，豐富檐口造型、增添裝飾韻味，具有別樣的美感效果，是封建等級制度的象征和重要的建筑風(fēng)格衡量標(biāo)準(zhǔn)。

除了增加屋檐寬度、減小梁枋跨度和梁柱相接的剪力作用之外，斗拱的多姿發(fā)展更多是由于美學(xué)的驅(qū)動。斗拱置于梁或闌額與柱交接處承托梁枋，其形狀宛如雙翼附于柱頭兩側(cè)，新穎別致、美不勝收。與柱頭采用圓形結(jié)構(gòu)不同的是，斗拱是不規(guī)則的角與圓的拼接、揉合，不僅更好地實現(xiàn)了平衡建筑結(jié)構(gòu)，支撐承重的目標(biāo)，而且具有堅實、美觀、和諧的實用與審美效果，實為中國古代建筑錦上添花的高超技巧和中國智慧的充分體現(xiàn)。

少林寺的初祖庵，同時運用了柱頭斗拱、補間斗拱、轉(zhuǎn)角斗拱，多重斗拱的連用顯示了其本身的維美精妙與結(jié)構(gòu)力學(xué)的完美結(jié)合，充分體現(xiàn)了斗拱的結(jié)構(gòu)力學(xué)之美和幻化多姿之美。

穹頂?shù)纳衩刂?/p>

中國古人信仰“天圓地方”，人是自然界的一部分。聰明勤勞的他們在古建筑中就體現(xiàn)了這一點，穹頂就是最好的例子。

穹頂輪廓如球冠如蒼穹，是運用固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，以周圍墻體或支柱為基本支點的一種古代建筑頂層簡體結(jié)構(gòu)，既增加了穹頂內(nèi)部空間，也提

高了抗彎剪能力，使建筑物更加堅固。這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理已經(jīng)被現(xiàn)代高層建筑所采納，并被認為是高層建筑抗震性能最好的一種結(jié)構(gòu)。同時，穹頂上有精美雕

刻，既體現(xiàn)宗教的神圣又具有美觀的效果。

從力學(xué)角度看，穹頂?shù)墓皻ひ蚱渲ё酵屏γ恳唤孛娈a(chǎn)生負彎矩，減少了每一截面總的彎矩。將彎矩轉(zhuǎn)化為軸壓力，穹頂結(jié)構(gòu)跨度可大大增加。穹頂或球冠結(jié)構(gòu)可將彎矩減少，因為它是韌性結(jié)構(gòu)，體形已先確定，而載荷隨時可變，尤其是活載荷。拱截面還必須能承受一定數(shù)量的彎矩、剪力，才能正常發(fā)揮其承重功能。因此，對穹頂或拱形來說，截面上沒有彎矩，只有軸力才是設(shè)計者的最終追求目標(biāo)。但由于拱形的特點，這個目標(biāo)不可能完全達到。

在穹頂建筑結(jié)構(gòu)中，最危險的屬穹頂彎矩，因為它跟一對力偶矩等效，即拉、壓軸力組成的力偶矩等效。因彎矩引起的內(nèi)力在截面中分布不均勻，靠近中層的材料不能充分發(fā)揮其力學(xué)性能。因此在利用穹頂結(jié)構(gòu)搞建筑，建筑結(jié)構(gòu)的任一截面必須能承受相應(yīng)的剪力、彎矩、拉力和壓力才能正常承重。這說明建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律離不開建筑中最本質(zhì)的東西——符合建筑力學(xué)基本原理，主要是重力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、固體力學(xué)原理。

中國古建筑的許多頂層設(shè)計，科學(xué)運用力學(xué)基本原理，采用穹頂結(jié)構(gòu)形式，架構(gòu)穩(wěn)固、雕飾精美，創(chuàng)造出許多不朽的建筑精品，令人身居宇內(nèi)、心飛天外，賦含神秘之美。

小 結(jié)

以古知今，建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展雖然側(cè)重面不盡相同，但都遵循同一規(guī)律和力學(xué)主線——將彎矩轉(zhuǎn)化為軸力，分散重力，實用美觀，安全可靠，這一主線貫穿了整個人類建筑結(jié)構(gòu)形式演變發(fā)展史。在力學(xué)建立以前，人類下意識地自覺運用了這條力學(xué)規(guī)律；經(jīng)過漫長的建筑實踐經(jīng)驗總結(jié)，人類不僅熟練地掌握了它，而且深刻認識到建筑結(jié)構(gòu)本身承受著外荷載產(chǎn)生的壓力、支座反彈力，承受進而產(chǎn)生的水平推力和空間支撐力，同時要具備抗震動抗沖擊的穩(wěn)固性和實用性。

從古建筑造型和實用性能上，我們充分認識到了中國智慧在建筑中的威力，認識到了建筑中的整體、和諧、可靠、持久的重要性。研究古建筑并自覺地加以運用，就能大大促進力學(xué)原理與美學(xué)的完美結(jié)合，以便在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，創(chuàng)造出更為漂亮精巧、壯觀氣派的建筑物來。使建筑力學(xué)、固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)與美學(xué)追求完美融合，讓中國古建筑中的力學(xué)應(yīng)用之美得以傳承創(chuàng)新，打造人類智慧的最新精品建筑工程。

參考文獻：

[1] 慎鐵剛 《中國古建筑的力與美探析》（J）《力學(xué)與實踐》1996年 第3期；

[2] 樓慶西 《中國古建筑二十講》（M）三聯(lián)書店 2001年9月 第1版；

作者簡介：

王登月，1998年12月22日生，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院2016級本科生，鄭州大學(xué)國旗護衛(wèi)隊員，優(yōu)秀大學(xué)生軍訓(xùn)教官。愛鉆研、愛思考、愛鍛煉；博聞強記，敏而好學(xué)，專業(yè)知識基礎(chǔ)牢固，文理知識結(jié)構(gòu)全面；關(guān)注國內(nèi)外時政，關(guān)注經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，關(guān)注物理學(xué)科前沿，學(xué)以致用，志在強國。

（作者單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院）