建筑風(fēng)格中蘊(yùn)含的科學(xué)密碼

苗若玖

從“作廟翼翼”到“檐牙高啄”

“縮板以載，作廟翼翼?！边@出自《詩經(jīng)·大雅》中《緜》一詩，描述周代的人們建造宗廟的盛況，可見在當(dāng)年，傳統(tǒng)的中國(guó)式建筑已經(jīng)頗具規(guī)模。無論是故宮、頤和園那樣雄偉的皇家建筑群，還是老北京恬靜的四合院，抑或深山中的寺廟宮觀和江南婉約的私家園林，都有著從3000多年前一路傳承下來，讓人一眼便可認(rèn)出的“中國(guó)風(fēng)”。它們往往有曲線優(yōu)美的屋頂，像鳥翼一般舒展，呈現(xiàn)出木結(jié)構(gòu)獨(dú)有的魅力。晚唐文學(xué)大家杜牧在其代表作《阿房宮賦》里，對(duì)中國(guó)建筑風(fēng)格極盡溢美之詞：“廊腰縵回，檐牙高啄;各抱地勢(shì)，鉤心斗角”，阿房宮的壯美躍然紙上。

事實(shí)上，中國(guó)傳統(tǒng)建筑最鮮明的風(fēng)格之一，或許就是兼顧實(shí)用和禮數(shù)的屋頂體系。根據(jù)不同的屋頂式樣，人們可以很容易地了解房屋的大體用途，或者說它們（及其主人）在城市中的“等級(jí)”。而在屋頂內(nèi)部，精致的榫卯結(jié)構(gòu)，讓木制構(gòu)件彼此結(jié)合，無需釘子或粘合劑，也同樣堅(jiān)固耐用。

從實(shí)用的角度來看，中國(guó)式大屋頂也是科學(xué)的設(shè)計(jì)。以木材構(gòu)造房屋主體結(jié)構(gòu)的建筑模式，意味著防腐是建筑者必須解決的問題。因此，中國(guó)古代建筑擁有了獨(dú)特的大屋頂設(shè)計(jì)，這樣的屋頂不僅籠蓋了屋身，挑出較遠(yuǎn)的屋檐，也會(huì)對(duì)墻體、（木制）門窗和夯土臺(tái)基起到一定的保護(hù)作用，同時(shí)也消除了大屋頂給人們的壓抑感。屋頂四面的屋檐，配合交錯(cuò)相扣擺放的圓弧狀瓦片，可以讓雨水由拱起的瓦片流到下凹的瓦中，從而被導(dǎo)到屋檐的邊緣流到地下，保證了房屋本身的干燥。因此，盡管中國(guó)傳統(tǒng)建筑隨著時(shí)間的流逝而分成了多個(gè)“流派”，但大屋頂仍然標(biāo)示著它們“出自同門”的“血統(tǒng)”。

四合院背后的管理科學(xué)

除了標(biāo)志性的大屋頂，中國(guó)傳統(tǒng)建筑中的瑰寶，還有令人印象深刻的北京四合院，它充分反映出元明兩代建筑管理科學(xué)的成就。

元滅金戰(zhàn)爭(zhēng)之后，位于今天北京城南部的原金中都迅速衰敗，新建的元大都因而成了“白紙上畫出來”的城市，擁有先規(guī)劃再建設(shè)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)年的城市設(shè)計(jì)者選擇了《周禮·考工記》中給出的“棋盤式”建城方案，先規(guī)劃貫通城市的主干道，再規(guī)劃與它們平行或垂直的不同等級(jí)的道路，最后根據(jù)基本一樣的圖紙，用一個(gè)個(gè)院落迅速“填充”被道路分割而成的地塊，打造一座模塊化的城市。明初營(yíng)建北京城時(shí)，也采取了類似的策略，將整座城市當(dāng)成巨型四合院來設(shè)計(jì)。紫禁城是北京城里最大的四合院，也相當(dāng)于北京城這座四合院的內(nèi)院。而在城市的其他區(qū)域，不同等級(jí)的四合院成為貴族、各級(jí)官員和平民等不同級(jí)別的人員的居所，城市結(jié)構(gòu)同樣是模塊化的。

“棋盤式”的建城方案，讓人們不易迷路，而這種安全感又被四合院本身的規(guī)制所強(qiáng)化。四合院分為內(nèi)院和外院，只要關(guān)閉大門，路人就不可能看到院內(nèi)的情況;即使有賓客來訪，大多也只能停留在外院。于是，四合院最大限度地保證了居住者的私密空間。

但對(duì)于居住在四合院里的人來說，他們的居所又為他們提供了頗為宜居的環(huán)境。在幾乎沒有公園，只有皇家園林的古代北京，四合院就如同一個(gè)個(gè)自給自足的“生活單元”，不僅滿足了人們居住和飲食的需要，也滿足了人們觀看綠色植物和鳥、魚等寵物放松心情的精神需求。更重要的是，四合院內(nèi)院的四面房門都開向院落，這就為居住在院內(nèi)的一家人創(chuàng)造了大量交流的機(jī)會(huì)，使幾代人之間保持著濃厚的感情，也讓北京城的氛圍變得安詳起來。

知識(shí)鏈接 “唐風(fēng)”影響下的日本古建筑

基于日本列島盛產(chǎn)木材的特點(diǎn)，日本人喜歡建造通透輕盈而且工期較短的木構(gòu)架房屋。隋唐時(shí)期中國(guó)的建筑風(fēng)格在中日交往中被日本引進(jìn)，極大地改進(jìn)了公元1世紀(jì)基本成型的日本傳統(tǒng)木建筑風(fēng)格，使日本建筑也采用中國(guó)式的梁柱結(jié)構(gòu)，甚至也有斗拱;但日本建筑同樣也保持著自身特色—尤其重視并擅長(zhǎng)呈現(xiàn)材料、構(gòu)造和功能性因素的天然麗質(zhì)。

木結(jié)構(gòu)建筑因?yàn)椤耙匀峥藙偂倍诳拐?，能夠適應(yīng)日本列島多地震的環(huán)境;但因?yàn)槟静囊兹?，如果房屋過于密集，也容易成為火災(zāi)的溫床。從17世紀(jì)初到19世紀(jì)中期的德川幕府統(tǒng)治時(shí)期，江戶（今天的東京）因?yàn)橐獌?yōu)先保證武士和僧侶的用地需求，使町人（平民）居住區(qū)極端擁擠，時(shí)常發(fā)生火災(zāi)，以至于在日本有“火災(zāi)與斗毆是江戶之花”的自嘲性說法。日本的城市消防體系，也在木建筑與火災(zāi)的“斗法”中逐漸發(fā)展起來。

雪域高原上的建筑奇跡

在被稱為“世界屋脊”的青藏高原上，高海拔環(huán)境塑造了這里的建筑風(fēng)格。西藏首府拉薩的海拔已經(jīng)高達(dá)3650米，是典型的高原城市;而比拉薩海拔更高、空氣更稀薄的城鎮(zhèn)，在西藏也有不少，珠穆朗瑪峰附近的絨布寺甚至位于海拔5100多米的地方，被認(rèn)為是世界上海拔最高的宗教建筑群和居民點(diǎn)。

青藏高原由于高海拔而寒冷，也比較缺乏采暖所需的燃料，但又因?yàn)榭諝庀”∈沟萌照崭鼮閺?qiáng)烈。在這樣的條件下，房屋的光照就成為溫暖的關(guān)鍵。為了擁有更好的光照條件，絕大部分傳統(tǒng)的西藏建筑，都會(huì)采用南向建筑，而且盡可能避免縱向尺寸大于橫向的房屋設(shè)計(jì)，減小房屋進(jìn)深（與房間的主采光面垂直方向的深度）。而且，傳統(tǒng)的民居建筑通常不會(huì)超過3層樓，彼此間盡量避免相互遮擋，以最大限度地獲取陽光，即使在嚴(yán)冬也不會(huì)讓室溫過低。

出于保溫的需要，傳統(tǒng)西藏建筑的窗戶尺寸都比較小。窗戶黑色的邊框，民間傳說取法自象征吉祥的牦牛頭，但也因?yàn)楹谏鼰岫鵁o形中增強(qiáng)了房屋的取暖能力。如果建筑物不止一面開窗，那么朝南的窗戶通常會(huì)相對(duì)放大一些，在接收陽光和保暖之間尋求平衡。有一些比較重要的建筑，還可能會(huì)在東南方設(shè)置“拐角窗”，由此利用初升太陽的光芒，以求盡快度過最為難熬的黎明。

盡管環(huán)境艱難，西藏建筑仍然形成了別具一格的美感。特殊的地理位置和佛教文化的影響，使相當(dāng)多的建筑融合了中原地區(qū)、西藏本地，以及與中國(guó)相鄰的尼泊爾、印度等國(guó)的建筑風(fēng)格，成為喜馬拉雅山脈兩側(cè)文明交往的見證。坐落于拉薩市中心，擁有1300多年歷史的大昭寺即是如此。

位于市區(qū)西北瑪布日山上的布達(dá)拉宮，更是集宮殿、城堡和寺院于一體的西藏建筑瑰寶。由于需要承擔(dān)重要的宗教和政治職能，布達(dá)拉宮修建得極為堅(jiān)固。它的整體為石木結(jié)構(gòu)，宮殿外墻厚達(dá)2～5米，基礎(chǔ)直接埋入巖層，墻身全部用花崗巖砌筑，高達(dá)數(shù)十米。為了進(jìn)一步加固墻體，一部分墻內(nèi)還被灌注了鐵汁。在寒冷而缺乏氧氣的青藏高原上完成如此偉大的工程，其艱辛是難以想象的。也正因如此，布達(dá)拉宮被認(rèn)為是雪域高原上的建筑奇跡，成為拉薩乃至西藏的象征。

沙漠綠洲別樣建筑風(fēng)情

沙漠中星星點(diǎn)點(diǎn)的綠洲，同樣孕育著適應(yīng)這一環(huán)境的文明。幾千年來，不同的文明在沙漠中譜寫了種種建筑史上的傳奇：金字塔、亞歷山大燈塔，還有后來居上的阿拉伯建筑。

隨著伊斯蘭文明的興起，阿拉伯人在公元7世紀(jì)形成了統(tǒng)一的國(guó)家，為阿拉伯科學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。公元751年怛羅斯戰(zhàn)役之后，阿拉伯人學(xué)到了中國(guó)造紙術(shù)，極大地方便了書籍的著述、抄寫與文化的傳播。在吸收了儲(chǔ)存于波斯的古希臘人的科學(xué)著述，并汲取了古印度科技成果的基礎(chǔ)上，阿拉伯科學(xué)體系逐漸發(fā)展起來，于此后的幾個(gè)世紀(jì)，在醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域，都取得了出色的成就，阿拉伯建筑也得益于科技特別是數(shù)學(xué)的發(fā)展而大放異彩。

由于伊斯蘭教禁止崇拜偶像，因此傳統(tǒng)的阿拉伯建筑，通常會(huì)以復(fù)雜的幾何分形圖案、藝術(shù)字體和書本形狀的設(shè)計(jì)元素來進(jìn)行裝飾。這樣的設(shè)計(jì)思路，讓阿拉伯建筑既令人著迷又引人深思，在莊重和變化之間形成出色的平衡。而想要做出這樣的設(shè)計(jì)并將其付諸實(shí)施，顯然有賴于數(shù)學(xué)的支持。

時(shí)至今日，我們?nèi)匀豢梢栽谖鱽?、北非和中亞的很多清真寺，以及其他一些地?biāo)建筑上，看到復(fù)雜而精致的幾何圖案裝飾。沙特阿拉伯的麥加禁寺（大清真寺）、麥地那先知寺，以及伊朗的伊斯法罕清真大寺，都是這種建筑風(fēng)格的代表。而在中國(guó)和西歐等地，也有不少采用阿拉伯建筑風(fēng)格的清真寺，以及其他一些地標(biāo)建筑物，呈現(xiàn)出濃郁的中東風(fēng)情。

阿拉伯人的科技成就，不僅體現(xiàn)在建筑物的裝飾設(shè)計(jì)方面。沙漠地區(qū)水源極為珍貴，這讓人們喜愛郁郁蔥蔥，充滿生命氣息的園林。在建造園林時(shí)，阿拉伯人充分發(fā)揮科技手段，特別重視對(duì)水的運(yùn)用和控制。封閉式的建筑群與特殊的節(jié)水灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，在沙海里難得的綠洲之中，打造了由人造水體、涼亭和人工栽種植物組成的美麗花園，成為引人入勝的安逸所在。

知識(shí)鏈接 地窩堡機(jī)場(chǎng)的獨(dú)特含義

新疆首府烏魯木齊的機(jī)場(chǎng)名叫“地窩堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)”，而“地窩堡”這個(gè)名字，就記錄了這座沙漠城市的郊區(qū)曾有不少“地窩子”的歷史。所謂“地窩子”，是一種在沙漠化地區(qū)比較簡(jiǎn)陋的民居，其主體是一個(gè)深約一米的坑，四周用土坯或磚瓦壘起半米高的矮墻，房頂用草葉、泥巴和樹枝等物混合構(gòu)成。這種半地下式的原始建筑，卻可以有效抵御沙漠附近常見的風(fēng)沙，并且冬暖夏涼，只是通風(fēng)條件比較差。如今，這樣的居所在烏魯木齊已經(jīng)基本消失。但機(jī)場(chǎng)獨(dú)特的名字，保留了這座城市艱苦奮斗的印記。

磚石建筑營(yíng)造歐式浪漫

從南歐的雅典和羅馬，到西歐的巴黎和巴塞羅那，許許多多的歐洲城市，都洋溢著“浪漫”的氣場(chǎng)。前往這些城市的游客們，往往會(huì)為城市中古老而華麗的磚石建筑而傾倒。

歐洲式建筑的歷史，可以追溯到古希臘時(shí)代。從那時(shí)起，歐洲大型建筑就開啟了使用磚石建構(gòu)的定例。古希臘人的審美觀，讓建筑的外觀簡(jiǎn)潔大方，有著極具沖擊力的明快線條。而古希臘人的數(shù)學(xué)成就，也影響到建筑的設(shè)計(jì)與建造。黃金分割率的引入，讓建筑具有了視覺上的和諧;尺規(guī)作圖“三大不可能問題”中的“倍立方問題”，也就是用尺規(guī)作圖的方法作一個(gè)立方體，使它的體積是已知立方體體積的兩倍，傳說也源自于一項(xiàng)神廟改建工程。如今，位于雅典市中心衛(wèi)城山丘上的雅典衛(wèi)城，被認(rèn)為是古希臘建筑水平的代表。雖然它的一部分建筑在歷史上遭到破壞，但幸存至今的部分，仍然能讓人感受到當(dāng)年的壯美。

古羅馬人繼承了古希臘人的建筑設(shè)計(jì)思路，并在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，創(chuàng)造出立柱同拱券的組合，讓建筑結(jié)構(gòu)擁有更好的承重能力。位于意大利羅馬市中心的萬神殿，以及分布在西歐各地的劇場(chǎng)和引水渠遺跡，都宣示著這項(xiàng)創(chuàng)新的生命力。然而，隨著羅馬帝國(guó)走向衰落，特別是公元476年西羅馬帝國(guó)滅亡，一部分古羅馬的建筑知識(shí)逐漸散佚甚至失傳。漫長(zhǎng)的混亂年月之后，在公元10世紀(jì)，歐洲效法昔日羅馬建筑的“羅馬風(fēng)建筑”逐漸定型。此后，哥特式建筑、文藝復(fù)興建筑、巴洛克風(fēng)格建筑與洛可可風(fēng)格建筑各領(lǐng)風(fēng)騷，在磚石建筑這條主線之上加以創(chuàng)新，營(yíng)造出一脈相承、綿延至今的歐洲式建筑文化。

或許是出于對(duì)古希臘科學(xué)與理性傳統(tǒng)的珍視，在走出西羅馬滅亡后的“黑暗時(shí)代”，重新恢復(fù)秩序之后，歐洲人致力于將先進(jìn)的科研成果與建筑物相結(jié)合，以達(dá)到更好的使用體驗(yàn)和藝術(shù)效果。

比如說，在哥特式建筑興盛的時(shí)代，彩色玻璃被大量引入，成為兼具藝術(shù)和實(shí)用的裝飾物。12～13世紀(jì)修建的巴黎圣母院，作為歐洲早期哥特式建筑的代表作，精致的彩色玻璃“玫瑰窗”不僅代表著當(dāng)年的建筑師對(duì)用光的探索，也因其華美而成為教堂的重要“標(biāo)簽”。而在巴黎的國(guó)立中世紀(jì)博物館里，也有很多來自被拆解教堂的玻璃畫，讓人們得以回望當(dāng)年充滿虔誠氣場(chǎng)的歐洲社會(huì)風(fēng)尚。

巴黎郊外的凡爾賽宮，是摒棄了當(dāng)年流行的巴洛克風(fēng)格，回歸古典主義風(fēng)格的建筑物。它的標(biāo)志性房間“鏡廳”，則與17世紀(jì)法國(guó)在光學(xué)領(lǐng)域的研究成果密切相關(guān)。在那個(gè)電燈遠(yuǎn)未發(fā)明的時(shí)代，讓皇家舞會(huì)會(huì)場(chǎng)兼顧容量和亮度，是一項(xiàng)很難完成的任務(wù)。為了滿足法國(guó)“太陽王”路易十四心目中的“極致奢華”，法國(guó)建筑師朱爾斯·阿杜安·芒薩爾（小芒薩爾）運(yùn)用當(dāng)時(shí)前沿的光學(xué)理論，設(shè)計(jì)了別出心裁的“鏡廳”。廳內(nèi)長(zhǎng)廊的一側(cè)，是17扇朝花園而開的巨大拱形窗門;另一側(cè)則是由483塊鏡片鑲嵌而成的17面落地鏡。這些鏡子與拱形窗門一一對(duì)應(yīng)，把窗門外的藍(lán)天、景物完全映照出來。同時(shí)，廳內(nèi)3排掛燭上的32座多支燭臺(tái)，以及8座可插150支蠟燭的高燭臺(tái)所點(diǎn)燃的蠟燭，也經(jīng)鏡面反射，形成約3000燭光（物理單位）的亮度，把整個(gè)大廳映照得金碧輝煌。即使在今天，鏡廳也仍然是凡爾賽宮最為閃耀的瑰寶。

拓荒與探險(xiǎn)，木屋做前哨

在中國(guó)式建筑、歐洲式建筑和阿拉伯（伊斯蘭）建筑這3大體系之外，世界上還有一些建筑，似乎不屬于它們當(dāng)中的任何一個(gè)。這些建筑中的典型代表，便是看似平淡無奇，卻最為質(zhì)樸實(shí)用，在人們探險(xiǎn)、拓荒時(shí)提供貼心幫助的木屋。

美國(guó)西部片的場(chǎng)景，通常是由若干木屋組成的沙漠小鎮(zhèn)。這些簡(jiǎn)陋卻實(shí)用，而且易于搭建的房舍，卻是美國(guó)歷史上一個(gè)重要時(shí)期的真實(shí)寫照。如果說19世紀(jì)的美國(guó)拓荒者鐘愛木屋，并將其傳承至今，更多是因?yàn)槟疚菀子诖罱ǘ叶臎?那么北極圈內(nèi)的居民選擇木屋，就更多是為了適應(yīng)極地的嚴(yán)酷環(huán)境。

在歐亞大陸和北美洲北部，位于北極圈以北的居民點(diǎn)比比皆是，有一些甚至發(fā)展為相當(dāng)規(guī)模的城市。極地的嚴(yán)苛環(huán)境，要求這些城市的建筑必須既能保暖，又可以抵御環(huán)境的侵蝕，這使不易導(dǎo)熱又能適應(yīng)劇烈溫差變化的木材，成為很多早期極地建筑的首選材料。在位于北緯69度，被譽(yù)為“北極之門”的挪威特羅姆瑟，擁有100多年歷史的木造建筑比比皆是。地球上最接近北極的城市，北緯77度的挪威朗伊爾城，也擁有大量的木屋。

這些外表看似樸拙的木屋，卻有著最適合極地環(huán)境的特質(zhì)。為了避免人類活動(dòng)過多影響永久凍土層，人們還會(huì)在地上挖洞，在洞中嵌入沒有經(jīng)過加工的木樁，并將水灌進(jìn)去，而后再將混凝土支柱連在木樁上。這樣的地基設(shè)計(jì)，使建筑物的地板與凍土層隔離，不會(huì)因?yàn)榻ㄖ锶∨诨瘍鐾?，?dǎo)致沉降。