淺談西安古建筑屋頂特性

畢雪兒

(西安市曲江第一中學(xué),陜西西安 710061)

淺談西安古建筑屋頂特性

畢雪兒

(西安市曲江第一中學(xué),陜西西安 710061)

中華文明博大精深,源遠(yuǎn)流長,尤其建筑史,尤為豐富。在中國的古建筑中,大量運(yùn)用了現(xiàn)代幾何數(shù)學(xué)的思想。研究此課題可以使我們對于數(shù)學(xué)幾何有更加深入的認(rèn)識,并增強(qiáng)我們在現(xiàn)實生活中對于幾何知識的應(yīng)用。我將以中國古建筑的房頂設(shè)計為例,取真實案例于西安碑林博物館之中,深度剖析我國古代人民在建筑學(xué)上的精妙智慧。

房頂 古建筑 幾何數(shù)學(xué) 斗拱 西安

1 中國古代建筑

中國古代建筑主要以木材為主，因木材的可塑性較強(qiáng)，這種構(gòu)架制的結(jié)構(gòu)使中國古代建筑大多呈現(xiàn)出構(gòu)造精巧，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的特征。在經(jīng)過歷朝歷代的審美變化后，古建筑的構(gòu)型也會隨之改變，構(gòu)架制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)也被充分利用[2]。西安現(xiàn)存的主建筑主要以唐、漢代為主，因受到當(dāng)時禮教的深刻影響，唐、漢代建筑深刻地體現(xiàn)了天人合一的思想，這不僅是古代人民對自然的一種順應(yīng)，同時也是對自然的一種巧妙利用。

2 注古建筑的意義

世世代代人民的歷史文物建筑飽含著過去歲月傳下來的信息，是人民千百年傳統(tǒng)的活的見證 。大家都喜歡沉浸在有歷史感的氛圍之中，感覺到時間的跨度，感覺到和古人的溝通。古建筑是一種文化精神的載體。一旦損毀，文物本體及其承載的歷史文化信息都將不復(fù)存在。在飛速發(fā)展的當(dāng)代，許多文化很容易在強(qiáng)勢文化的壓抑和排斥下失去自己的傳統(tǒng)和信仰，關(guān)注古建筑，就是關(guān)注我們的信仰。

3 觀特性

于西安碑林博物館中，發(fā)現(xiàn)大部分古建筑的屋頂都類似三棱柱，類三棱柱體的兩個側(cè)面為曲面，且呈略向下彎的弧線，屋脊高、坡度陡。坡度的呈現(xiàn)是由于圓柱狀的椽被截為多段，將瓦細(xì)密緊湊地附于其上，這利用了微元法。

4 性簡析

由于建筑材料木材的長度有限，它向外出挑，可把最外層的屋檐挑出一定距離，審美上可以使出檐更加深遠(yuǎn)、壯觀，也呈現(xiàn)了恢弘繁盛的氣概[1]。

圖片取自《中國木結(jié)構(gòu)古建筑抗震性能的研究》

照片攝于西安碑林博物館

從實際角度出發(fā)考慮坡度在審美之外的作用，其一，古代人民沒有如今的房頂排水系統(tǒng)，為了有利于迅速地排瀉雨水；其二，曲面相對于斜面能起到一定的緩沖作用，雨點(diǎn)落下時接觸面積較平面更大，設(shè)雨點(diǎn)落下時的沖擊力相同，相對于斜面，曲面使木頭單位面積上的壓強(qiáng)減少，從而使房屋架構(gòu)能夠承擔(dān)更大的沖擊力；其三，為了使雨水做曲線運(yùn)動，物體做曲線運(yùn)動時，速度方向為曲線的切線方向，當(dāng)雨水滑落至房檐時，由于房檐向外出挑，雨水獲得了水平方向的初速度，開始做類平拋運(yùn)動，這一定程度上增加了屋頂?shù)恼趽趺娣e，更重要的是防止了門窗的受潮，這是對木質(zhì)材料易受潮的缺陷的補(bǔ)充，使其更為耐用。

5 頂內(nèi)部構(gòu)型

于建筑的內(nèi)部可觀察到斗拱。斗拱整體來看十分具有審美價值，似花朵一般展開，古代人稱它的單位為“朵”，[1]這體現(xiàn)了中國古代人民重意象的藝術(shù)理念。斗拱的得名是因其由斗和拱共同構(gòu)成，在立柱和橫梁交接處，從柱頂上加的一層層探出成弓形的“拱”可以看做一個直四棱柱，“拱”與“拱”之間墊的方形木塊叫“斗”，“斗”省略掉嵌入的部分可以近似的看作一個正四棱柱，他們一層一層交織組成了斗拱這個整體。由于承重的需要，從上向下“斗”與“拱”的體積逐漸減小，形成了上繁下疏的外在構(gòu)型。

6 淺析斗拱特性

“斗”與“拱”都為棱柱，因其相對于圓柱而言，它的磨合性更強(qiáng)，若建筑發(fā)生晃動，棱柱之間作用的為靜摩擦力，而圓柱之間則作用的為滾動摩擦力，其他條件相同的情況下，靜摩擦力更大。

斗拱位于柱與梁之間，屋頂?shù)闹亓恳ㄟ^斗拱傳給柱子，再由柱傳到臺基，“斗”作為正四棱柱，更多的起到一個承上啟下的作用，它主要負(fù)責(zé)將力進(jìn)行傳遞；“拱”作為直四棱柱則更多地起到支撐的作用，從上到下逐漸變短是為了逐層傳遞力。

斗拱為構(gòu)架制結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸬茸匀粸?zāi)害來襲時，斗拱會發(fā)生一定程度的晃動，這種晃動可以將地震的能量逐漸消耗掉，防止屋體遭到破壞；這種晃動是有限度的，因為斗拱是一種榫卯結(jié)合的常見部分，榫卯的特點(diǎn)之一是結(jié)而不合，不合而不散。2013年4月21日蘆山縣龍門鄉(xiāng)古城村山腳下，震中一座百年老宅巍然屹立，這座老宅便采用了斗拱的結(jié)構(gòu)。由相關(guān)資料可知，斗拱可以增強(qiáng)橫梁的承重能力，具體表現(xiàn)為兩方面：當(dāng)所加載荷一定時，增加斗拱結(jié)構(gòu)可以使梁的臨界尺寸更小，從而使建筑結(jié)構(gòu)更精巧；當(dāng)梁的尺寸一定時，斗拱可以增大梁所能承受的最大載荷。這本質(zhì)上是因為斗拱兩爪與梁接觸使得單位載荷引起的彎矩的最大值變小，從而梁的截面處最大應(yīng)力值減小，增大了梁的承重能力[3]。

7 對斗拱應(yīng)用的設(shè)想

現(xiàn)今出現(xiàn)了大量堅固的建筑材料，斗拱這種木質(zhì)結(jié)構(gòu)的用武之處少之又少，然而對于景區(qū)公園，斗拱可以利用于觀賞亭的制作，因斗拱本身即有裝飾的作用，且觀賞亭并不需要居民樓一般的堅固，這種榫卯結(jié)構(gòu)的靈活可動性反而使其與石料水泥相比更為耐用。在實際應(yīng)用中，為了有效地充分利用材料，可以對下層梁、斗拱以及立柱選擇強(qiáng)度較大的材料，而上層可以適當(dāng)選擇強(qiáng)度較小的材料。

[1]潘古西.《中國建筑史》.中國建筑工業(yè)出版社.

[2]趙鴻鐵,張風(fēng)亮,薛建陽,謝啟芳,張錫成,馬輝.《古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能研究綜述》.

[3]李桂容,郭恩棟,朱敏.《中國古建筑抗震性能分析》.