这个“大力士”，抗震有绝技 | 行知天下

撰文/周乾（故宫博物院）

斗拱是中国古建筑特有的组成构件，在许多古建筑的屋檐下，都能见到它的身影。细观斗拱，它层层叠叠，紧密排列。富有规律的纵横之间，暗藏着什么样的科学智慧呢？

斗与拱的进化史

斗拱，又称斗栱、斗科、铺作等，是一种屋顶和屋身的过渡构件，通常位于柱顶之上、屋檐之下。顾名思义，斗拱主要由两部分组成，即斗与拱：斗为方形木块，拱为弓形木构件，两者在水平方向搭扣连接成一组，而后在垂直方向上组组叠加，形成一道道组合构件，外形犹如撑开的雨伞。

不同时期的斗拱，组成构件也略有不同。以故宫中常见的斗拱为例，其主要构件包括翘、坐斗、斗、拱等。这些斗拱的组成构件成形，与中国古建筑演变密切相关。

早期的宫殿建筑，往往采用木柱制成的斜撑来支撑宽大的屋檐。为了避免落地的斜撑受雨水侵蚀，斜撑的下支点便逐渐离开地面，向立柱上移动。随着审美需求的发展，木柱逐渐被弯曲的木料替代，最终形成了斗拱的重要构件——翘。同时，为了增强柱顶部位支撑屋檐的强度，柱顶之上又增加了斗形木块，这便是坐斗。为了让屋檐更加稳固，坐斗上被放置了长方形垫木，它逐渐变成了弓形，形成了斗拱的拱。

拱为横向，向左右延伸；翘又被称为华拱，纵向，向前后延伸，因前后翘起而得名翘，可以说，翘也是一种拱。拱和翘位于同一层上，两者互相垂直。层层相叠的拱翘组合之间，也由一个个斗形木块——斗相连。坐斗位于整个斗拱最下方，是斗拱中最大的斗。在一些斗拱的中线上，还会有向前后延伸、贯通斗拱的构件——昂。

古代力学智慧的结晶

斗拱的力学智慧体现在它出色的抗震性能。大量的勘查结果表明，斗拱在地震中通常能够保存完好。

在发生地震时，斗拱的各个构件之间互相摩擦、挤压，并产生往复运动，犹如一个运动的机构体系。从能量守恒的角度来看，当地震波的能量传到斗拱位置时，主要被分成了两部分的能量：斗拱的内能与动能。内能是让斗拱自身开裂受破坏的根本原因，也就是说，内能越大，斗拱受破坏越严重。斗拱的厉害之处，即它可以很好地减少内能所占的比例。其原理在于，每个斗拱由许许多多的小构件组成，它们犹如机器的零件一样，在地震中不断产生各种运动，将大部分地震波的能量转化为动能，从而使得斗拱内能的比例很小，斗拱因此在地震中几乎不会受到破坏。

在对故宫太和殿斗拱抗震性能开展试验研究后发现，无论是水平方向还是垂直方向的振动，都不会造成斗拱受破坏。斗拱是如何应对这两种振动的呢？

“不倒翁”——水平抗震

面对水平方向的振动，斗拱表现出了自动恢复的功能。

一方面，斗拱的重心位于其下方，它就像一个又矮又胖的人，在水平振动（推拉力）作用下尽管会发生摇摆，但是不易倾覆。另一方面，坐斗的水平截面尺寸宽大，增大了斗拱与其底部的接触面，斗拱在发生左右摇摆时，便会绕着坐斗两侧的支点进行摇摆。而在斗拱摇摆过程中，其上部屋顶的重量迫使斗拱不断地复位，因此，斗拱就像不倒翁一样，不断地来回摆动，在振动结束后又恢复到了初始位置，本身难以受到损害。

“弹簧”——垂直抗震

同时，斗拱还能够抵抗垂直方向的振动作用。

斗拱由木材制成。在受到外力作用时，木材很容易产生变形并迅速恢复原状，犹如弹簧一样。在垂直方向上，斗拱由一层层构件叠加起来，这就像是一层层弹簧连起来一般。发生垂直方向的振动时，斗拱整体就像弹簧一样反复进行压缩-复原运动，不断地削弱振动的能量，有着“以柔克刚”的特性。从能量守恒角度讲，振动的能量被斗拱弹簧一般的特性转化成弹性势能，这也是一种减小斗拱内能的手段。斗拱的这种弹簧特性抗震方法，也被称为隔震。

2010年上海世界博览会中的中国国家馆，也运用了斗拱元素，体现了“东方之冠”的理念

斗拱精巧的构造及优秀的抗震性能，汇聚了中国古代工匠丰富的工程经验，体现了中国古代建筑精妙绝伦的卓越智慧，是中华优秀传统文化的重要组成部分。

本文来自《知识 就是力量》杂志，原标题《抗震“大力士”——斗拱》，撰文 周乾， 有删改，原创作品转载请注明来源。

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