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天天科普 & 没有钢筋水泥,古代的高楼大厦是怎么建起来的?

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  不用一颗钉

  便可做到扣合严密

  使用百年依然坚固而美丽

  这究竟是什么技艺

  

  应县木塔,北京太和殿,硕大的建筑没有使用一根铁钉连接。斗拱之间,塔檐之内,一个个凹凸小节紧密咬合,共同构成了历史上的辉煌。这凹凸的连接点,被誉为中国的第五大发明——“榫卯”。

  今天我们来研究一下:

  什么是榫卯?

  榫卯有哪些类型?

  榫卯结构有哪些建筑优势?

  榫卯

  故宫博物院研究馆员周乾博士介绍:我国的古建筑以木结构为主,各构件通过榫卯形式相连接。

  

  图源数字北京科学中心

  当两个构件相连接时,其中一个端部伸出一截,这个伸长的部分就是榫头;另一个构件端部被“挖”一个与榫头相同尺寸的口子,这个被“挖”的部分就是卯口

  榫头插入卯口中,即形成榫卯连接。榫卯连接的部位一般被称为榫卯节点。我国的榫卯节点类型非常丰富,至少有24种。如下图所示即为故宫古建筑所用的燕尾榫节点实物照片及安装示意图。

  故宫太和殿前檐柱额枋燕尾榫节点

  

  

  

  图源科普中国

  榫卯结构是榫和卯的结合,是木件之间多与少、高与低、长与短之间的巧妙组合,可有效地限制木件向各个方向的扭动。

  榫卯结构应用于房屋建筑后,虽然每个构件都比较单薄,但是它整体上却能承受巨大的压力。这种结构不在于个体的强大,而是互相结合,互相支撑

  榫卯结构不仅用于建筑,同时也广泛用于家具,其中明清家具的制作几乎用到了所有的榫卯种类,展现了榫卯结构进化的最终样式。作为一种巅峰技艺,榫卯结构组合的家具比用铁钉连接的家具更加结实耐用。

  

  图源数字北京科学中心

  我们经常会发现许多明式家具虽已距今百年但木质仍坚硬如初,如果用铁钉组合这样的家具,很可能木质完好,但连接金属的锈蚀、老化等因素,也会使家具散架。

  榫卯的类型

  榫卯按照用途大致可分为三类:

  第一类主要是用来连接面与面、边与边和面与边,如“槽口榫”“燕尾榫”“穿带榫”等

   第二类主要用作成角结合、交叉结合,如“双榫”“勾挂榫”“半榫”等

   第三类主要是用来将多个构件组合在一起,其构造技艺更为复杂,如“托角榫”“长短榫”“粽角榫”等

  

  而按照形式,榫卯又可分为明榫和暗榫两类。

  明榫又称出榫、透榫,它的榫头可以卯眼中穿出,在外部可以看到榫头顶端的痕迹。

  暗榫也称半榫,其榫头短,卯眼不打穿,从外看不出打孔的痕迹。两者在形式、耗材上差异微小,但在审美、做工、结构等方面却不甚相同。

  

  明榫和暗榫,图源数字北京科学中心

  明榫可以见到木销的痕迹,榫头深而实,足以保证其坚固性,弥补了古代客观条件上的不足。

  而暗榫则更显美观,但因其榫眼深而榫头短,较为容易产生虚榫而松动。但如果用胶来填塞空缺,则会影响物件的牢固度和美观性。

  除此以外,还有几种典型的榫卯结构十分有趣:

  

  

  

  三方组榫、十字契合、箱型火塞拼接、走马销式拼合

  榫卯结构的优势

  近几百年的中国,有两件东西被视为国粹:一是京剧艺术,二就是红木家具,而中国传统红木家具的灵魂就是榫卯结构。

  整套家具甚至整幢房子不使用一根铁钉,却能使用几百年甚至上千年,在人类轻工制造史上堪称奇迹。不仅外形精致唯美,而且遵循力学原理,实用性极强,不易锈蚀又方便拆卸。

  1、榫卯连接方式有利于古建筑的营建

  我国古代工匠巧妙地利用了木材易加工、重量轻的特点,将这些构木构件预先加工好,避免了对木材进行现场剔、凿、刨等工序造成的杂乱环境。而柱、梁枋等构件在现场只需安装即可,有利于快速施工。

  

  图源科普中国

  以紫禁城古建筑为例,紫禁城古建筑含有房屋1000余座9000多间,其真正现场营建只用了3年。

  2、榫卯节点有着优秀的抗震性能

  榫卯连接的建筑不但可以承受外力,还允许自身产生一定程度的变形,有着很强的“容错率”。榫卯的节点错综复杂,外力在一个个连接点中分散消解,从而保证了建筑的完整与坚固。

  例如当发生地震时,地震的外力会作用到建筑上,但因榫卯节点产生的变形能够部分吸收地震能量,从而可以有效减轻地震对建筑的破坏,保持建筑整体结构的安全。实验证明,由榫卯结构连接的木构建筑最高可抗10.1级地震。

  

  故宫军机处前檐柱,抱头梁馒头榫节点

  3、非凡的使用价值和艺术价值

  我国古建筑榫卯节点形式丰富,根据结构不同部位的安装、受力需求,采取不同形式的榫卯节点,不仅满足了建筑使用需求,其外观也体现了营造技艺之美。

  作为具有中国特色的古建筑营建方式,我国古代工匠利用独特的一凹一凸连接方法,极为复杂的建筑结构外在表现得简约古朴,而其中却透露出工匠丰富的灵感和智慧,并表现出古建筑非凡的使用价值和艺术价值。

  

  图源网络

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