西方拱券結(jié)構(gòu)對(duì)建筑設(shè)計(jì)影響淺析

張國(guó)中 谷 巖

（東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150040）

近現(xiàn)代建筑風(fēng)格形成逐漸學(xué)習(xí)西方古典建筑風(fēng)格特征，以及越來越重視簡(jiǎn)化裝飾造型和穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu)處理手法。伴隨建筑結(jié)構(gòu)的變革，由于建筑裝飾抽象形式藝術(shù)思潮的廣泛影響，運(yùn)用形式簡(jiǎn)明的線條與幾何形表達(dá)現(xiàn)代主義建筑樣式，建筑逐漸脫離以追求繁復(fù)為榮的時(shí)期。唯有將設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)置于天地間，融入于自然中，用心感知萬物之間如何聯(lián)系，引用《易經(jīng)》中提及的“立天道曰陰陽，立地道曰柔剛，立人道曰仁義”，天地人之間相輔相成、相互聯(lián)系，運(yùn)用到建筑與人和自然之上也完全適用。

一、西方拱券結(jié)構(gòu)形式

公元前四世紀(jì)兩河流域是拱券結(jié)構(gòu)形成的初始地，拱券結(jié)構(gòu)（又稱：拱、券、券洞、法圈與法券），其由各個(gè)矩形建筑材料之間的側(cè)壓力構(gòu)建而成，運(yùn)用夸空結(jié)構(gòu)形成相對(duì)穩(wěn)固的承重體系。美索不達(dá)米亞地區(qū)兩河流域周邊的人們最早運(yùn)用拱券結(jié)構(gòu)的民族，不過建筑材料運(yùn)用燒磚居多；古希臘時(shí)期兩河流域的拱券技術(shù)相對(duì)成熟，比如巴比倫城伊什塔爾城門；到后來拱券發(fā)展到古羅馬時(shí)期達(dá)到頂峰，造型呈現(xiàn)出半圓形（古羅馬建筑特征）；到哥特式建筑風(fēng)格形成時(shí)期，拱券的造型樣式則成為尖形樣式。

1.古愛琴海時(shí)期

愛琴海文明的地理核心位置為克里特島與希臘地區(qū)的邁錫尼[1]，其也稱“克里特-邁錫尼文明”，是古代西方文明的發(fā)軔地。通過對(duì)克里特地區(qū)建筑遺址勘探，已得知當(dāng)時(shí)建造的克諾索斯宮運(yùn)用了漏斗形式的柱頭，其有助于減少建筑中梁對(duì)柱式的壓強(qiáng)；獅子門位于邁錫尼建筑中的衛(wèi)城城堡，其作為城堡的大門，門楣之上運(yùn)用三角造型疊澀券，為減小門楣承重之用。

2.古希臘時(shí)期

古希臘人由于在思想與技術(shù)上的保守觀念導(dǎo)致在很長(zhǎng)時(shí)間里建筑建造唯一手段就是平梁結(jié)構(gòu)[1]，在很少的特定區(qū)域才會(huì)真正放心采用真正的拱券結(jié)構(gòu)。如果要運(yùn)用拱券結(jié)構(gòu)，本階段的古希臘人更傾向運(yùn)用疊澀券結(jié)構(gòu)（又稱假拱，其真正意義以上不是拱券結(jié)構(gòu)），疊澀所表現(xiàn)的砌筑方式為逐層向外堆疊出挑或收進(jìn)，疊澀券利用各層建筑材料向內(nèi)堆疊收分而成，在中線處合攏便成了拱券。疊澀券結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有壓應(yīng)力與拉應(yīng)力（在正常情況下的真拱只具有壓應(yīng)力），所以為了避免坍塌，疊澀券會(huì)在兩側(cè)建設(shè)及其穩(wěn)固的支撐結(jié)構(gòu)，整體造型明顯厚重。直到大約公元前2世紀(jì)的希臘化時(shí)代晚期，希臘人建造的建筑才正式應(yīng)用拱券與拱頂結(jié)構(gòu)。

3.古羅馬時(shí)期

古羅馬人通過學(xué)習(xí)疊澀券的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而正式開發(fā)出了真正的拱券結(jié)構(gòu)，古羅馬建筑之中的顯著特點(diǎn)就是半圓形拱券，由于在古希臘時(shí)期建筑梁柱因自身尺寸限制與質(zhì)量的約束，建筑造型的跨度很受影響，導(dǎo)致古希臘建筑建造出的室內(nèi)空間相對(duì)較小。古羅馬人將柱式元素與拱券元素組合成一套整體框架結(jié)構(gòu)體系，將券腳與柱式檐部上方進(jìn)行連接，就此創(chuàng)造出了券柱式結(jié)構(gòu)，券柱式結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向組合，又延伸出了連續(xù)拱券結(jié)構(gòu)，一排整齊的柱式托起連續(xù)拱券。就此拱券與柱式的結(jié)合解決了古希臘時(shí)期建筑梁柱與建筑空間之間的矛盾[2]。

羅馬人將拱券技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，在制作材料上運(yùn)用天然火山灰來制作活性混合材料（天然或人工性質(zhì)的礦物質(zhì)材料），骨料（混凝土及砂漿中起骨架和填充作用的粒狀材料）則添加沙子、碎石子與斷磚等。羅馬人在建筑的不同位置運(yùn)用不同強(qiáng)度與容重的建筑材料，解決了在施工過程中拱券的塑形困難等問題，大大提升了建筑質(zhì)量與施工速度。

4.歐洲中世紀(jì)時(shí)期

羅馬帝國(guó)于公元395年分裂成東、西羅馬兩部分，東羅馬帝國(guó)延續(xù)古希臘建筑風(fēng)格，則稱東羅馬帝國(guó)建筑風(fēng)格為拜占庭式建筑風(fēng)格，區(qū)別于西部的哥特式建筑風(fēng)格。

（1）拜占庭式建筑

拜占庭式建筑拱券由于吸取了東方建筑的特征，對(duì)于拱券結(jié)構(gòu)形式方面產(chǎn)生新樣式——帆拱，帆拱和穹頂相結(jié)合，通過運(yùn)用四個(gè)拱券進(jìn)行圍合，在圍合的方形空間之上矗立穹頂。拱券與穹頂連接處呈現(xiàn)圓環(huán)狀，在圓環(huán)之下與拱券之間共空有四個(gè)形似三角形的空洞，通過精巧技藝將空洞填滿，以保持拱券之上穹頂?shù)姆€(wěn)定性。

（2）哥特式建筑

哥特式建筑達(dá)到的藝術(shù)效果要?dú)w功于新型拱券形式——尖拱。通過建筑建造技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展出現(xiàn)了尖形拱，尖拱屬于一種由兩條相異圓心的弧線交織之后形成的新型拱券，兩條弧線的交織點(diǎn)也就是尖拱左上方，形如其名，呈現(xiàn)出向上的尖角形制。哥特式建筑中的拱肋是尖拱結(jié)構(gòu)之中的相交叉受力部件，其主要做支撐整個(gè)拱券重量。并且，尖形拱在結(jié)構(gòu)整體受力情況下更加合理，其可以對(duì)重量做到有效傳遞。

哥特式建筑中另一風(fēng)格特點(diǎn)為——飛扶壁，又稱為飛券。飛扶壁是起到支撐建筑立面的結(jié)構(gòu)，其圍繞建筑本身與建筑側(cè)壁相連接，其可以將建筑物上部的重量從建筑物本身上部轉(zhuǎn)換到建筑物之外的地方，對(duì)建筑物內(nèi)的各式廊柱起到了分擔(dān)壓力的作用。并且運(yùn)用飛扶壁的情況下能更好地將建筑中豎直的柱式直徑降低，使得建筑內(nèi)空間增加，有益于開設(shè)更大型的門窗，室內(nèi)采光效果更好。

二、拱券結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

拱券結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)梁柱結(jié)構(gòu)用料少、分量輕、跨度大，當(dāng)拱券自身跨度越大時(shí)，其越發(fā)節(jié)省建造成本，但是對(duì)于拱券之下的受力支座的抗壓強(qiáng)度就要有更高的要求，其必須要承受拱券結(jié)構(gòu)帶來的強(qiáng)大水平推力。對(duì)于拱的定義并不是看其外形而定奪的，更需要注重的是其產(chǎn)生的側(cè)推力，拱券整體的力量是斜向傳遞給支座的，具有豎直與水平兩個(gè)分力。

1.水平推力由拉桿直接承擔(dān)

能夠確保在任何條件下保持穩(wěn)定，支撐結(jié)構(gòu)頂部并沒有水平推力H作用，所以本支撐結(jié)構(gòu)單單承受豎向推力，因此作為最經(jīng)濟(jì)、省料的支撐結(jié)構(gòu)。

拉桿拱：拉桿拱又分為室內(nèi)拉桿拱與地下拉桿拱（圖1），如果室內(nèi)應(yīng)用帶拉桿的拱券結(jié)構(gòu)，其主要考慮的問題則為預(yù)應(yīng)力拉桿較粗，就導(dǎo)致拉桿拱券結(jié)構(gòu)只適用于舉架較高的大型空間，比如：車間、倉庫、食堂與禮堂等。

圖1 拉桿結(jié)構(gòu)

2.推力由水平結(jié)構(gòu)承擔(dān)

本結(jié)構(gòu)意為在拱券結(jié)構(gòu)內(nèi)不設(shè)拉桿，通過拱腳標(biāo)高平面之內(nèi)的現(xiàn)澆筑鋼筋混凝土邊跨屋蓋、圈梁與挑檐板進(jìn)行力的承擔(dān)作用，使得拱券拱腳之下的柱、墻等豎向結(jié)構(gòu)并不承擔(dān)上部帶來的水平推力（圖2）。由于內(nèi)部不設(shè)拉桿結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)將獲取更大的建筑室內(nèi)使用空間，但是同時(shí)帶來的缺點(diǎn)是比拉桿結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)較高。

圖2 水平推力結(jié)構(gòu)

3.水平推力由豎向結(jié)構(gòu)承擔(dān)

由于水平推力H與豎向q的合力表現(xiàn)為斜向力，拱券拱腳與拱軸線進(jìn)行相切，因此要求豎向結(jié)構(gòu)必須擁有更高強(qiáng)度的剛性與控制極小的形變。盡量保持豎向結(jié)構(gòu)與地基的均衡受力，控制豎向結(jié)構(gòu)承擔(dān)最大與最小應(yīng)力差在可控范圍內(nèi)，不可相差過于懸殊，并確保拱券拱腳處避免水平位移情況，保證拱券內(nèi)盡量做到無過多彎矩變化。

（1）斜柱墩：通常應(yīng)用在拱券拱腳推力大與拱券跨度較大時(shí)，采取斜柱墩結(jié)構(gòu)能夠直接有效進(jìn)行受力傳導(dǎo)，并且造價(jià)相對(duì)較低，具有精干樣式（圖3）。

圖3 斜柱墩

（2）邊跨結(jié)構(gòu)：如拱券結(jié)構(gòu)的跨度較大時(shí)，并在周邊具有建筑空間時(shí)，通常采用邊跨結(jié)構(gòu)將拱券拱腳的推力進(jìn)行均勻承擔(dān)。對(duì)于豎向邊跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成單層或者多層的墻體，或采用單層、多層、單跨貨多跨鋼架結(jié)構(gòu)，并且保持具有足夠大側(cè)向剛性的豎向結(jié)構(gòu)，盡可能避免側(cè)移（圖4）。

圖4 邊跨結(jié)構(gòu)

（3）落地拱：本結(jié)構(gòu)適用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)較好地區(qū)，又或是拱券拱腳水平推力較小時(shí)，此時(shí)水平推力方可通過基礎(chǔ)直接傳導(dǎo)至地基上，為了更加穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，便可將下部基礎(chǔ)設(shè)置成傾斜狀（圖5）。

圖5 落地拱

3.對(duì)國(guó)內(nèi)建筑裝飾的影響

通過精巧的拱券結(jié)構(gòu)處理工藝將建筑功能與裝飾藝術(shù)相融合，使得在功能與視覺上均達(dá)到最佳效果。中西方對(duì)拱券結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有不同的理解，在建筑本身外部或內(nèi)部結(jié)構(gòu)造型均獨(dú)具特色。拱券結(jié)構(gòu)能夠呈現(xiàn)出其獨(dú)特的韻律感，通過對(duì)具體尺寸與形制進(jìn)行拆分重組，就得以令人“浮想聯(lián)翩”，運(yùn)用不同的表現(xiàn)手法達(dá)到“形斷意連”之意。拱券結(jié)構(gòu)通過時(shí)代發(fā)展，其自身的進(jìn)步已映入眼簾，從伊始優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)之用，到后世的藝術(shù)美感，拱券在建筑“橫平豎直”之際打破陳規(guī)，使得大眾生活之中增添歡快韻律。

用現(xiàn)代建筑舉例，位于浙江省杭州市的中國(guó)美術(shù)學(xué)院（良渚校區(qū)）的新建體育館（圖6），校區(qū)整體設(shè)計(jì)有幸邀請(qǐng)普利茲克獎(jiǎng)首位中國(guó)評(píng)委張永和擔(dān)任設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)語言結(jié)合良渚周邊地理人文環(huán)境，并且將“水”作為設(shè)計(jì)元素。國(guó)美良渚校區(qū)內(nèi)體育館屋面造型運(yùn)用拱券結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)母題，在造型與尺寸上靈活多變，無論是在室外或是室內(nèi)這座建筑油然而生帶給人是無限的聯(lián)想。整排拱券由于跨度尺寸不同，設(shè)置為橫向9個(gè)大小相間的半圓形鋼筋混凝土形制拱殼，尺寸較大的直徑為7.8m，尺寸較小的為5.0m[3]，帶來的特點(diǎn)是拱頂?shù)母叩筒煌?，同時(shí)在相應(yīng)拱券下設(shè)窗，是建筑室內(nèi)自然采光主要來源。建筑室內(nèi)與室外既視感相同，建筑屋面整體效果形似海浪，也似波紋，又似祥云，更似連綿不絕的山巒，令建筑與自然和人均形成呼應(yīng)，完美詮釋了何為“結(jié)合”。在如此生動(dòng)的屋面下是規(guī)矩的直線型設(shè)計(jì)，建筑開窗整齊均勻，猶如挺拔矗立的樹干，在活潑中體現(xiàn)穩(wěn)健，韻律之中不失規(guī)律，展現(xiàn)了國(guó)人崇尚的含蓄美感。

圖6 良渚體育館南立面圖

結(jié)語

如今建筑在空間與造型中相互呼應(yīng)、融合，努力營(yíng)造出舒適感，完美滿足功能性的美觀裝飾設(shè)計(jì)是建造中極度追求的目標(biāo)，文化融合是現(xiàn)今世界的總體趨勢(shì)，對(duì)于傳統(tǒng)文化與未來文化而言，大眾接受程度也在逐漸攀升，循規(guī)蹈矩的情況顯然已退出歷史舞臺(tái)。對(duì)于外來文化盲目應(yīng)用是意義不大的，如想“馴服”新鮮事物必須將其了如指掌，通過拆分、再造，將地域范疇與時(shí)間范疇不同的事物進(jìn)行融合，使異同文化之間進(jìn)行“碰撞”，完美展現(xiàn)“包容性”。