中国古建筑中的力学应用之美

作者:未知

  【摘 要】建筑是人类为适应生存、发展和追求的需要,将结构力学糅合审美价值而创造出来的劳动成果,是人类智慧在生产建设领域的结晶。拱桥是通过一个水平推力把原本由荷载产生的弯矩应力变成压应力的科学创造,满载流动之美。斗拱是我国木构架建筑特有的结构力学构件,设计严谨、形式灵活,纷呈多姿之美。穹顶是运用结构力学基本原理,以周围墙体为支点的一种古代建筑顶层结构,多有精美雕刻,赋含神秘之美。研究古建筑并加以运用,能大大促进力学与美学的完美结合;以便在科学技术高度发展的今天,让中国古建筑的力学应用之美得以传承,创造人类智慧的最新精品建筑工程。
  【关键词】古建筑;力学;拱形;穹顶;美
  自古以来,建筑都是人类为更好地适应生存、促进发展和满足追求美好的需要,将固体力学、结构力学糅合审美价值而创造出来的基本的、重要的、高级的物质形态,是人类劳动在生产建设领域的智慧结晶。建筑一经成形使用,就远远超越了它本身,不再单纯是一个建筑,而是具有实物存在性、自然独立性、精神支撑性、文化传承性和社会象征性的一种标识人类社会发展轨迹的特殊载体了。
  中国古建筑造型精美,风格别致,科学地运用固体力学、结构力学基本原理,深度糅合美学元素,深度诠释了力与美的完美结合。
  拱桥的流动之美
  拱形是自然界常见的一种结构,人类建筑利用拱形,正是受自然界的山洞、树洞等中空的实物启发,结合建筑实际由初步摸索、尝试,进而逐渐走向成熟的。
  拱桥的力学原理,是通过一个水平推力把原本由荷载产生的弯矩应力变成压应力或者大部分转化为压应力。拱区别于梁的最大之处就是存在水平推力,如果这个水平推力和支座反弹力,以及作用于其上的荷载合力作用点和方向刚好通过拱的轴线,这样的拱形就是合理的,并且是只受压应力的。具体说,拱桥结构是把垂直的纵向力,通过桥身弧结构内力转化为横向力,最后作用到两边的基体——基座或支座,既承受垂直压力、又承受水平推力,所以建造拱桥要求两边的基座稳固坚实。
  中国古代很多桥梁结构都采用拱形,不仅因为拱的弧形比直粱更稳定,同时也考虑到实用和美观。其中最著名的赵州桥,历经一千多年风雨冲刷和洪水地震考验,至今仍发挥着重要作用。
  拱形结构有许多优点,其圆弧几何形状提高了抵抗外荷载产生的弯矩,能覆盖较大空间,外形也很美观。但是,由于拱形荷载的变异性,拱截面上有时不可避免的存在超负荷弯矩,这就制约了它的跨度进一步增加,因此就出现了多拱接续的大型古建筑。
  斗拱的多姿之美
  斗拱是中国传统砖木结构建筑中运用结构力学的独有构件,常用于柱顶、额枋、屋檐或构架间。既是解决屋顶出檐的重要手段,又是柱梁之间的华丽饰物,大大丰富了中国古典建筑的样式风格。
  作为古建筑中的特色构件之一,斗拱科学运用了结构力学的基本原理,是我国木构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、斜的昂组成;或是由若干弧形的栱件,相互垂直拼接、卯合叠加而成。斗拱最初孤立置于柱上或挑梁外端,起着传递梁的荷载于柱身和支承屋檐重量以增加出檐幅度的作用。其优势在于:第一,在结构上出挑承重,将屋顶的大面积载荷分散摊开,均匀平推;第二,作为建筑屋顶外溢墙体的过渡,增加屋檐宽度、延长滴水距离、扩容建筑利用面积;第三,结构紧实坚固,安稳程度可靠,抗震动能力强。第四,丰富檐口造型、增添装饰韵味,具有别样的美感效果,是封建等级制度的象征和重要的建筑风格衡量标准。
  除了增加屋檐宽度、减小梁枋跨度和梁柱相接的剪力作用之外,斗拱的多姿发展更多是由于美学的驱动。斗拱置于梁或阑额与柱交接处承托梁枋,其形状宛如双翼附于柱头两侧,新颖别致、美不胜收。与柱头采用圆形结构不同的是,斗拱是不规则的角与圆的拼接、揉合,不仅更好地实现了平衡建筑结构,支撑承重的目标,而且具有坚实、美观、和谐的实用与审美效果,实为中国古代建筑锦上添花的高超技巧和中国智慧的充分体现。
  少林寺的初祖庵,同时运用了柱头斗拱、补间斗拱、转角斗拱,多重斗拱的连用显示了其本身的维美精妙与结构力学的完美结合,充分体现了斗拱的结构力学之美和幻化多姿之美。
  穹顶的神秘之美
  中国古人信仰“天圆地方”,人是自然界的一部分。聪明勤劳的他们在古建筑中就体现了这一点,穹顶就是最好的例子。
  穹顶轮廓如球冠如苍穹,是运用固体力学、结构力学基本原理,以周围墙体或支柱为基本支点的一种古代建筑顶层简体结构,既增加了穹顶内部空间,也提
  高了抗弯剪能力,使建筑物更加坚固。这种结构的力学原理已经被现代高层建筑所采纳,并被认为是高层建筑抗震性能最好的一种结构。同时,穹顶上有精美雕
  刻,既体现宗教的神圣又具有美观的效果。
  从力学角度看,穹顶的拱壳因其支座水平推力对每一截面产生负弯矩,减少了每一截面总的弯矩。将弯矩转化为轴压力,穹顶结构跨度可大大增加。穹顶或球冠结构可将弯矩减少,因为它是韧性结构,体形已先确定,而载荷随时可变,尤其是活载荷。拱截面还必须能承受一定数量的弯矩、剪力,才能正常发挥其承重功能。因此,对穹顶或拱形来说,截面上没有弯矩,只有轴力才是设计者的最终追求目标。但由于拱形的特点,这个目标不可能完全达到。
  在穹顶建筑结构中,最危险的属穹顶弯矩,因为它跟一对力偶矩等效,即拉、压轴力组成的力偶矩等效。因弯矩引起的内力在截面中分布不均匀,靠近中层的材料不能充分发挥其力学性能。因此在利用穹顶结构搞建筑,建筑结构的任一截面必须能承受相应的剪力、弯矩、拉力和压力才能正常承重。这说明建筑结构发展的内在规律离不开建筑中最本质的东西——符合建筑力学基本原理,主要是重力学、结构力学、固体力学原理。
  中国古建筑的许多顶层设计,科学运用力学基本原理,采用穹顶结构形式,架构稳固、雕饰精美,创造出许多不朽的建筑精品,令人身居宇内、心飞天外,赋含神秘之美。
  小 结
  以古知今,建筑结构形式的发展虽然侧重面不尽相同,但都遵循同一规律和力学主线——将弯矩转化为轴力,分散重力,实用美观,安全可靠,这一主线贯穿了整个人类建筑结构形式演变发展史。在力学建立以前,人类下意识地自觉运用了这条力学规律;经过漫长的建筑实践经验总结,人类不仅熟练地掌握了它,而且深刻认识到建筑结构本身承受着外荷载产生的压力、支座反弹力,承受进而产生的水平推力和空间支撑力,同时要具备抗震动抗冲击的稳固性和实用性。
  從古建筑造型和实用性能上,我们充分认识到了中国智慧在建筑中的威力,认识到了建筑中的整体、和谐、可靠、持久的重要性。研究古建筑并自觉地加以运用,就能大大促进力学原理与美学的完美结合,以便在科学技术高度发展的今天,创造出更为漂亮精巧、壮观气派的建筑物来。使建筑力学、固体力学、结构力学与美学追求完美融合,让中国古建筑中的力学应用之美得以传承创新,打造人类智慧的最新精品建筑工程。
  参考文献:
  [1] 慎铁刚 《中国古建筑的力与美探析》(J)《力学与实践》1996年 第3期;
  [2] 楼庆西 《中国古建筑二十讲》(M)三联书店 2001年9月 第1版;
  作者简介:
  王登月,1998年12月22日生,郑州大学物理工程学院2016级本科生,郑州大学国旗护卫队员,优秀大学生军训教官。爱钻研、爱思考、爱锻炼;博闻强记,敏而好学,专业知识基础牢固,文理知识结构全面;关注国内外时政,关注经济发展战略,关注物理学科前沿,学以致用,志在强国。
  (作者单位:郑州大学物理工程学院)
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