建筑结构丨拱说，你喜欢我吗？

来源：来撩设计

你对砖说：“砖，你想要什么？”

You say to Brick, "What do you want, Brick?"

砖说：“我喜欢拱。”——路易斯·康

And Brick says to you,

"I like an Arch."——Louis·Kahn

拱券（gǒng xuàn）是一种建筑结构。简称拱，或券，又称券洞、法圈、法券。它除了竖向荷重时具有良好的承重特性外，还起着装饰美化的作用。

拱之于古代西方建筑的作用就像斗拱之于中国建筑，都是两种体系中最精华的部分。古代东西方都无法造出宽大的平屋顶的原因就是没有找到可以支撑巨大平屋顶的结构体系或者材料。于是乎古代中国人用梁柱框架加斗拱营造巨型大坡木屋。古代西方人用拱结构建造他们宏伟恒久的穹窿石屋。不同时期拱一直在发展演变，经历了从无到有从简单到杂，从粗拙到精巧的进化过程。

叠涩拱（Gorbel Arch）的雏形

叠涩拱：就是渐次接近的两排砖的系列。叠涩拱的雏形在公元前数世纪的埃及、美索不达米亚、希腊等多次遗址中均可看到。而在古埃及中有一句谚语叫做“Arch Never Sleep"，反应了人们对楔块拱安全性能的担忧。

▲叠涩拱

公园前用楔形砖的小型拱券在世界各地均可以找到。比如，爱琴海地区迈西尼卫城有个狮子门，建于公元前1350~1300年。该门由独石建成门柱，门宽3.5米，可供骑兵和战车通过。

▲迈西尼狮子门

门上过梁是块巨石，重达20吨，中间比两头厚，在巨石的门楣上有一个三角形的叠涩券，用以减少门楣的承重力，中间镶着一块三角形的石板，三角形叠涩券中嵌入一块雕着双狮的三角形的石板浮雕。双狮刻工精细传神，狮子门因此而得名。

而真正的拱劵 （True Arch）是最大限度的发挥砖石的抗压能力。亚平宁半岛的土著伊特鲁利亚人是最早发现拱劵原理的。他们很早就开始吸收希腊文化，具有高度的文明，但不久被罗马人征服。伊特鲁里亚居民有着从希腊和两河学来的，很特殊的石头叠成的叠涩拱的技术，从很大程度影响了后来的罗马。

古罗马时期

半圆形的拱券为古罗马建筑的重要特征。罗马人在当时制造出史无前例的具有多种特性的“罗马混凝土”。即将烧熟的石灰与火山灰搅拌并加入骨料，火山灰产自维苏威火山。

这种建筑材料产生于帝国政治时代的公元前27年，随着混凝土的出现，人们利用这种新材料建造出了大跨度的拱券和拱顶，也逐步代替了石块在建筑中的运用。建筑从此不只是体积的累加，还是空间的构成。

▲由筒拱向十字拱的演变

筒形拱是一个拱券成直线延伸或连续铺开，形成一个隧道形或筒形拱顶，这样的拱顶提供了两道平行墙之间的曲线屋顶，能够结合起来形成拱廊。

交叉拱则是两个筒形拱顶相交叉，两个长度形状相同的拱顶相交形成十字拱，长度不等的两个拱相交则形成一字拱，交叉拱也称为棱拱，交叉拱的重量由四角的墩子承担，取代了罗马建筑中承重墙的作用，使空间形式有更多的变换。

▲古罗马城中心广场东边的君士坦丁巴西利卡

中央用三间十字拱，跨度25.3米，高40米

左右各有三个跨度为23.5米的筒形拱抵抗水平推力

穹窿是拱旋转一圈形成的结构，又称穹顶、拱顶、圆顶，常指宽大的厅堂上空所修筑成圆球形和多边曲面的屋顶盖，有的中央留有圆洞供采光用。它是古罗马建筑和文艺复兴时期建筑的重要造型特征。

罗马人的另外一项发明是在混凝土中掺入各种骨料，并将其浇筑在有一定承载力的模板中。比如在拱卷和穹窿中，将作为模板的砖砌成环状，在其空隙中浇筑混凝土。万神庙的大空间形成的关键就在于此。

▲万神庙（pantheon /panθn/）

万神庙是古罗马人膜拜众神的庙宇，曾是现代的结构技术出现以前世界上室内空间跨度最大的建筑，建于120年—124年，平面呈圆形，顶部大穹顶直径达43.3m，顶端高度43.3m，穹顶中央开一8.9m直径的大圆洞，顶光照亮神庙内部，显得宏伟壮观并带有宗教神秘气氛。

▲万神庙内穹顶圆洞

穹顶以混凝土浇筑而成，底部厚6m，顶部厚1m，为减轻自重，穹顶内表面形成网格状方形凹格，同时也起着一种装饰的作用，大厅中心地面微凸，以白色大理石为主拼成图案，支撑穹顶的墙厚达6.2m，沿墙均布7个壁龛，正中为一个大门廊，门廊有三排列柱，柱身用红色花岗石，柱头以白色大理石制成，采用科林斯柱式，形象庄重肃穆。

▲万神庙剖面

只有拱券这单一的结构是远远不够的，古罗马人将梁柱与拱券相结合，形成了券柱式，还包括连续券、巨柱式、叠柱式这些创造一新的建筑形式。古罗马的建筑师在一系列伟大的建筑中，如凯旋门、角斗场、浴场，均采用了大量拱券结构，这些建筑对后世的建筑也产生了巨大的影响。

▲君士坦丁凯旋门，建于公元312年

立面三分式、中间大两个次间小的券柱式门洞

▲提图斯单拱凯旋门

由图密善皇帝兴建于兄长提图斯去世后不久

纪念在公元70年征服和摧毁耶路撒冷

终止66年开始的犹太人大起义

▲古罗马大角斗场

长轴188米，短轴156米，立面是四层的80个拱

▲卡拉卡拉大浴场

采用十字拱结构，重量主要落在8个墩子上

它们的周围有筒形拱、大券拱、大穹窿

如今是各种演唱会、音乐会和体育锻炼的热门场所

拜占庭建筑

中古拜占庭帝国（公元4-16世纪）是历史上的东罗马帝国。拜占庭建筑最大的进步是穹顶与帆拱的完美结合，即：一个穹顶切去四个半球，再在上方挖一个圆洞，在圆洞上加个底座，最终在底座上加上穹顶。

这种结构的重量全落在了四个券上，再通过券与券之间的交叉点把力量传递给四个墩柱上，这种方式也完成了圆形穹顶月正方形平面的自然过渡。由于承重方式的改进，穹顶下的空间变得更加自由多变，此结构对建筑的发展做出了巨大贡献。

▲A：帆拱、B：帆拱+穹窿、C：帆拱+鼓座+穹窿

君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂就是帆拱运用的杰出典范，它的穹顶高15米，直径32.6米，通过帆拱架在4个7.6米宽的墩子上。中央穹顶的侧推力在东西两面由半个穹顶扣在大券上抵挡，它们的侧推力又各由斜角上两个更小的半穹顶和东、西两端的各两个墩子抵挡。

▲圣索菲亚大教堂

在希腊语里的意思是上帝智慧

教堂供奉在正教基督教神学里的耶稣

室内的光照处理十分生动，阳光透过彩色玻璃使室内氛围趋于神秘梦幻。室内空间也是更加高敞宽阔，四周层次井然。这套结构关系明确，层次分明，期中拱券技术也是达到了一个新的高峰。

▲圣索菲亚大教堂内部

不论是对于诺大的宇宙还是对于耶稣

不论是从物理的体积，还是我们心灵上的认知

人显得微不足道，要保持清醒，保持谦虚

哥特式建筑

中世纪的建筑形式除了拜占庭建筑外，不得不提的就是哥特式建筑了。哥特式建筑，12世纪下半叶发源于法国，中世纪高峰和晚期盛行于欧洲，18世纪复兴于英国，并持续至二十世纪，其建筑风格源自罗马式建筑，后又被文艺复兴建筑所继承。

▲法国亚眠大教堂双层飞扶壁及尖肋拱顶

哥特式建筑的特点是普遍采用尖肋拱顶，推力作用于四个拱底石上，并用飞扶壁（扶拱垛，可用来分担主墙压力的辅助设施）来平衡拱的推力，这样拱顶的高度和跨度不再受限制，可以建得又大又高。最富盛名的哥特式建筑有意大利米兰大教堂、德国科隆大教堂、法国巴黎圣母院等。

▲意大利米兰大教堂

▲德国科隆大教堂

▲法国巴黎圣母院

文艺复兴时期

14世纪末，意大利的资本主义开始萌芽，人们在思想、政治、文化等方面开始了激烈的较量，之后人们称为“文艺复兴”运动。文艺复兴时期大量使用了拱和穹窿的建筑语汇，不得不提的就是意大利里程碑式的建筑：佛罗伦萨圣母百花大教堂的穹顶。

▲佛罗伦萨圣母百花大教堂

教堂的主要设计者是是菲利浦布鲁内莱斯基（1377～1446）。教堂内径达42米，穹顶高20多米，建筑总高107米，挺拔显眼的耸立在佛罗伦萨。这位巨匠在完成这一空中巨构的过程中没有借助于拱架，而是用了一种新颖的相连的鱼骨结构和以椽固瓦的方法从下往上逐次砌成。圆顶呈双层薄壳形，双层之间留有空隙，上端略呈尖形 。

▲穹顶的构成分解

结构成就包括：采用双圆心矢形穹顶；采用骨架券，穹顶设纵肋（8条主券，16条次券）；水平加固（穹顶底部的铁箍、1/3高的木箍、两条走廊、9道平券、上部的8边形环梁），双层结构，金属连接件的使用。

▲穹顶内部

16世纪佛罗伦萨画家乔尔乔瓦萨里（Giorgio Vasari）所绘巨幅天顶画《末日审判》

圣彼得大教堂是梵蒂冈城国的主要教堂，可以容纳2万人，它是罗马市内最大、最重要的教皇方形教堂。教堂内高211.5米，两翼宽度187米，它拥有世界上所有教会建筑中几乎最大的地面面积。132.5米高的穹顶结构由将近800根柱子支撑，大教堂中共有45个祭坛和450余尊雕像。

▲圣彼得大教堂

重建圣彼得大教堂在1506年破土动工，长达120年的重建过程中，意大利最优秀的建筑师布拉曼特、米开朗琪罗、德拉·波尔塔和卡洛·马泰尔相继主持过设计和施工，直到1626年11月18日才正式宣告落成。

圣彼得大教堂其规模、双重壳的形式、加强环的设置均与佛罗伦萨大教堂相同，只是平面不是八角形而是圆形。利用圆形的优势，采用比佛罗伦萨大教堂更为简洁的构造，比如减少内壳的厚度、取消内环、减少纵肋等。也许是由于这样一原因，在经历100多年后，在拱下方出现了很多明显的裂纹。

▲米开朗基罗去世五年之后的1569年出版的雕版印刷

1743年，三位数学家对圣彼得大教堂进行调查。他们在报告中指出根据“假想变位原理”，应进行箍环加固，最后根据报告增加了5根铁锁环，使得穹顶安然无恙。该事件是第一次对包括破坏机构的设计方法进行了理论探讨，也预示着长期靠积累经验和感觉的时代已经结束，导入科学的客观评价办法的时代已经开始。钢结构正在孕育出现，时代将发生巨大的变化。

▲圣彼得大教堂功能分解

钢铁拱

18世纪到19世纪，在欧洲特别是在英国，铁有了划时代的发展。在18世纪后半叶，首先是铸铁的应用，进入19世纪后半叶，进行了炼铁技术的大革命，出现了钢铁。

1889年，巴黎万国博览会上的机械展廊覆盖115mx420m的巨大平面空间，内部一根柱子也没有。在拱的顶部与拱脚部都为铰接，即三铰拱。拱的跨度约111m，矢高43.5m。拱构件由高度3.7m的桁架组成。

▲巴黎世界博览会机械展廊

巴黎世界博览会机械展廊对现代建筑最大的贡献就是，大部分设计都是根据理论和力学方法决定的。所采用的变截面框架和简支于地基上的手法完全符合工程学的原理，验证了英国人托马斯·杨（Thomas Young）提出的弹性模量理论，创造了钢材铰链拱空前的大跨度结构空间。

近代(预应力)混凝土拱桥

自从1824年波特兰水泥问世，1850年出现钢筋混凝土以来，作为重要的结构材料，在工程中得到广泛运用，产生了多种结构型式的钢筋混凝土拱桥。

▲Pontle Veurdre桥，1907-1910

Eugene Freyssinet 弗雷西内作品

共3 跨，为矢高较小的钢筋混凝土浅拱结构，

每跨72.5 m的跨度创造了当时拱桥跨度的记录

▲普卢加斯泰勒桥（1928-1930）

Eugene Freyssinet 弗雷西内作品

单箱截面的预应力混凝土拱，3 跨各180m

现代拱券结构建筑欣赏

拱券技术发展到今天，已经渗透到了日常建筑的各个部分，作为重要得承重结构，拱券还被广泛应用在大型公共建筑物之中，很多大跨度的建筑都离不开一个坚固可靠的拱券结构。

▲圣路易斯拱门 ，高达192米

自1965年竣工以来，一直是圣路易斯举世闻名的地标性建筑

整个拱门是用不锈钢建成的，因此每年都会遭到数百次雷电的袭击

▲大馆树海巨蛋（伊东丰雄）

巨蛋高达52米

主轴上横跨178米，次轴上横跨157米，是一座钢木结构建筑

▲多摩艺术大学图书馆（伊东丰雄）

拱形的跨度从1.8米到16米不等，但混凝土截面厚度都是200毫米

参考资料：

1.百度文库：《拱券技术的形成与发展》

2.《空间结构的发展与展望》，日，斋藤公男

3.《建筑结构的奥秘——力的传递与形式》，清华大学出版社

4. 其他来源于网络的共享资源

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