相信一定有不少朋友玩過樂高,一塊塊小小的積木可以搭出各式各樣不同的物件,例如汽車,飛機,城堡等,甚至在上海的一家樂高主題店,還有上海地標性的東方明珠電視塔模型和世博中國館中華藝術宮模型。這些模型栩栩如生,惟妙惟肖,讓人驚艷。
那么這些積木是如何搭出兩層樓高的東方明珠電視塔呢?樂高的積木有兩個基本組成部分——上部的突點和內部的孔。與之類似的是中國的榫卯結構。但兩者不同在于樂高積木靠的的是兩個部件之間基于摩擦力的緊密連接,而榫卯結構則是通過榫和卯咬合,起到連接作用,更為繁復精致。下面就讓小編具體介紹下榫卯結構。
榫卯是在兩個木構件上所采用的一種凹凸結合的連接方式。凸出部分叫榫(或榫頭);凹進部分叫卯(或榫眼、榫槽),榫和卯咬合,起到連接作用。榫卯結構是榫和卯的結合,是木件之間多與少、高與低、長與短之間的巧妙組合,可有效地限制木件向各個方向的扭動。最基本的榫卯結構由兩個構件組成,其中一個的榫頭插入另一個的卯眼中,使兩個構件連接并固定。榫頭伸入卯眼的部分被稱為榫舌,其余部分則稱作榫肩。
榫卯結構最神奇的在于它不廢一釘一膠,卻能讓建筑牢固。因此榫卯結構廣泛用于建筑, 其中的代表作有紫禁城;天壇祈年殿;大觀園;山西懸空寺,應縣木塔等。
天壇祈年殿
祈年殿是天壇的主體建筑,又稱祈谷殿,是明清兩代皇帝孟春祈谷之所。祈年殿為磚木結構,殿高38米,直徑32米,三層重檐向上逐層收縮作傘狀。建筑獨特,無大梁長檁及鐵釘,二十八根楠木巨柱環(huán)繞排列,支撐著殿頂的重量。
木柱由內而外分三圈排列最內圈的4根鉆金柱高度近20m,象征一年四季春、夏、秋、冬;內圈之外的12根柱子被稱為金柱, 象征一年十二個月;最外圈較小的12根木柱則被稱為檐柱象征一天十二個時辰。金柱和檐柱相加的二十四根,象征一年二十四個節(jié)氣。
木柱與木柱之間有額枋相連接以防止木柱東倒西歪。
斗拱起到結構銜接的作用。
山西懸空寺
懸空寺呈“一院兩樓”般布局,總長約32米,樓閣殿宇40間。南北兩座雄偉的三檐歇山頂高樓好似凌空相望,懸掛在刀劈般的懸崖峭壁上,三面的環(huán)廊合抱,六座殿閣相互交叉,棧道飛架,各個相連,高低錯落。
全寺初看去只有十幾根大約碗口粗的木柱支撐,最高處距地面50來米。其中的力學原理是半插橫梁為基礎,借助巖石的托扶,回廊欄桿、上下梁柱左右緊密相連形成了一整個木質框架式結構,也增加了抗震度。
這些木材超過2/3的長度深入山體,以巖石平臺為支點,每根可以承受數噸的重量,“掛鉤”便制作完成了。
而“掛鉤”本身也頗為奇妙,它選用質地堅硬的鐵杉木并且用桐油長時間浸泡防腐防潮最神奇的是木材的一頭預先打上了楔子當這些木材插入石孔楔子便會將木材撐開恰好卡在內大外小的石孔內等同于現代的“膨脹螺釘”。
橫梁上設立柱,立柱上再搭梁、枋,利用中國傳統(tǒng)的榫卯梁架組合將建筑材料拼接為一體(榫卯梁架組裝示意,制圖@張靖/星球研究所)。
懸空寺的選址之險,建筑之奇,結構之巧,豐富的內涵,堪稱世界一絕。它不但是中華民族的國寶,也是人類的珍貴文化遺產。英國的一位建筑學家寫道:“中國的懸空寺把力學、美學和宗教融合為一體,做到盡善盡美,這樣奇特的藝術,在世界上是罕見的,通過這次參觀游覽,才真正看到這個古老民族的燦爛文化藝術和文明歷史。懸空寺不僅是中國人民的驕傲,也是世界人民的驕傲”。
應縣木塔
應縣木塔是中國現存最高最古的且唯一一座木構塔式建筑。2016年,釋迦塔獲吉尼斯世界紀錄認定,為世界最高的木塔。
中國工程院院士葉可明和江歡成認為,保證木塔千年不倒的原因首先從結構力學的理論上來看,木塔的結構非??茖W合理,卯榫結合,剛柔相濟,這種剛柔結合的特點有著巨大的耗能作用,這種耗能減震作用的設計,甚至超過現代建筑學的科技水平。
木塔是采用兩個內外相套的八角形,將木塔平面分為內外槽兩部分。內槽供奉佛像,外槽供人員活動。內外槽之間又分別有地袱、欄額、普柏枋和梁、枋等縱向橫向相連接,構成了一個剛性很強的雙層套桶式結構。這樣,就大大增強了木塔的抗倒伏性能。
木塔外觀為五層,而實際為九層。每兩層之間都設有一個暗層。這個暗層從外看是裝飾性很強的斗拱平座結構,從內看卻是堅固剛強的結構層,建筑處理極為巧妙。在歷代的加固過程中,又在暗層內非??茖W地增加了許多弦向和經向斜撐,組成了類似于現代的框架構層。這個結構層具有較好的力學性能。有了這四道圈梁,木塔的強度和抗震性能也就大大增強了。
斗拱是中國古代建筑所特有的結構形式,靠它將梁、枋、柱連接成一體。由于斗拱之間不是剛性連接,所以在受到大風地震等水平力作用時,木材之間產生一定的位移和摩擦,從而可吸收和損耗部分能量,起到了調整變形的作用。除此之外,木塔內外槽的平座斗拱與梁枋等組成的結構層,使內外兩圈結合為一個剛性整體。這樣,一柔一剛便增強了木塔的抗震能力。
木塔基土主要由粘土及砂類組成,工程地質條件非常好,其承載力遠大于木塔付與的荷載。所以,直到現在仍然不必擔心木塔會有因“底虛”而傾倒的可能。