抗震“大力士”

斗拱是中國古建筑特有的組成構(gòu)件，在許多古建筑的屋檐下，都能見到它的身影。細觀斗拱，它層層疊疊，緊密排列。富有規(guī)律的縱橫之間，暗藏著什么樣的科學智慧呢？

斗拱，又稱斗栱、斗科、鋪作等，是一種屋頂和屋身的過渡構(gòu)件，通常位于柱頂之上、屋檐之下。顧名思義，斗拱主要由兩部分組成，即斗與拱：斗為方形木塊，拱為弓形木構(gòu)件，兩者在水平方向搭扣連接成一組，而后在垂直方向上組組疊加，形成一道道組合構(gòu)件，外形猶如撐開的雨傘。

不同時期的斗拱，組成構(gòu)件也略有不同。以故宮中常見的斗拱為例，其主要構(gòu)件包括翹、坐斗、斗、拱等。這些斗拱的組成構(gòu)件成形，與中國古建筑演變密切相關(guān)。

早期的宮殿建筑，往往采用木柱制成的斜撐來支撐寬大的屋檐。為了避免落地的斜撐受雨水侵蝕，斜撐的下支點便逐漸離開地面，向立柱上移動。隨著審美需求的發(fā)展，木柱逐漸被彎曲的木料替代，最終形成了斗拱的重要構(gòu)件——翹。同時，為了增強柱頂部位支撐屋檐的強度，柱頂之上又增加了斗形木塊，這便是坐斗。為了讓屋檐更加穩(wěn)固，坐斗上被放置了長方形墊木，它逐漸變成了弓形，形成了斗拱的拱。

拱為橫向，向左右延伸；翹又被稱為華拱，縱向，向前后延伸，因前后翹起而得名翹，可以說，翹也是一種拱。拱和翹位于同一層上，兩者互相垂直。層層相疊的拱翹組合之間，也由一個個斗形木塊——斗相連。坐斗位于整個斗拱最下方，是斗拱中最大的斗。在一些斗拱的中線上，還會有向前后延伸、貫通斗拱的構(gòu)件——昂。

斗拱的力學智慧體現(xiàn)在它出色的抗震性能。大量的勘查結(jié)果表明，斗拱在地震中通常能夠保存完好。

在發(fā)生地震時，斗拱的各個構(gòu)件之間互相摩擦、擠壓，并產(chǎn)生往復(fù)運動，猶如一個運動的機構(gòu)體系。從能量守恒的角度來看，當?shù)卣鸩ǖ哪芰總鞯蕉饭拔恢脮r，主要被分成了兩部分的能量：斗拱的內(nèi)能與動能。內(nèi)能是讓斗拱自身開裂受破壞的根本原因，也就是說，內(nèi)能越大，斗拱受破壞越嚴重。斗拱的厲害之處，即它可以很好地減少內(nèi)能所占的比例。其原理在于，每個斗拱由許許多多的小構(gòu)件組成，它們猶如機器的零件一樣，在地震中不斷產(chǎn)生各種運動，將大部分地震波的能量轉(zhuǎn)化為動能，從而使得斗拱內(nèi)能的比例很小，斗拱因此在地震中幾乎不會受到破壞。

斗拱的組成部分（繪圖/閆麗芹）

在對故宮太和殿斗拱抗震性能開展試驗研究后發(fā)現(xiàn)，無論是水平方向還是垂直方向的振動，都不會造成斗拱受破壞。斗拱是如何應(yīng)對這兩種振動的呢？

面對水平方向的振動，斗拱表現(xiàn)出了自動恢復(fù)的功能。

斗拱的主要構(gòu)件名稱（供圖/周乾）

一方面，斗拱的重心位于其下方，它就像一個又矮又胖的人，在水平振動（推拉力）作用下盡管會發(fā)生搖擺，但是不易傾覆。另一方面，坐斗的水平截面尺寸寬大，增大了斗拱與其底部的接觸面，斗拱在發(fā)生左右搖擺時，便會繞著坐斗兩側(cè)的支點進行搖擺。而在斗拱搖擺過程中，其上部屋頂?shù)闹亓科仁苟饭安粩嗟貜?fù)位，因此，斗拱就像不倒翁一樣，不斷地來回擺動，在振動結(jié)束后又恢復(fù)到了初始位置，本身難以受到損害。

水平方向的振動下斗拱搖擺示意圖（供圖/周乾）

同時，斗拱還能夠抵抗垂直方向的振動作用。

斗拱由木材制成。在受到外力作用時，木材很容易產(chǎn)生變形并迅速恢復(fù)原狀，猶如彈簧一樣。在垂直方向上，斗拱由一層層構(gòu)件疊加起來，這就像是一層層彈簧連起來一般。發(fā)生垂直方向的振動時，斗拱整體就像彈簧一樣反復(fù)進行壓縮-復(fù)原運動，不斷地削弱振動的能量，有著“以柔克剛”的特性。從能量守恒角度講，振動的能量被斗拱彈簧一般的特性轉(zhuǎn)化成彈性勢能，這也是一種減小斗拱內(nèi)能的手段。斗拱的這種彈簧特性抗震方法，也被稱為隔震。

斗拱精巧的構(gòu)造及優(yōu)秀的抗震性能，匯聚了中國古代工匠豐富的工程經(jīng)驗，體現(xiàn)了中國古代建筑精妙絕倫的卓越智慧，是中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要組成部分。

（責任編輯 / 代竹蕊? ? 美術(shù)編輯 / 韋英章）