榫卯:优雅的结构力学

图文: | 2016-07-01

导语: 榫卯是广泛应用于中国古代建筑、家具及其他木制器械的传统技艺之一。其历史悠久,起源于河姆渡新石器时代,发展于春秋战国时期,到宋代开始趋于成熟,明清时达到最高水平。榫卯结构设计科学精巧,不用一钉、一丝的金属连接,就可实现历经百年甚至千年的牢固不坏。本期微专栏我们就来科普一下什么是榫卯结构,它精巧的结构中蕴含了怎样的力学原理。

何为榫?何为卯?

    据《集韻》记载,榫,剡木入窍也。榫卯(sǔn mǎo),是在两个木构件上所采用的一种凹凸结合的连接方式,包括榫头和卯眼,凸出部分叫榫或榫头,凹进去部分叫卯或榫眼,是我国古代建筑、家具及其他木制器械的主要结构方式。 

                                                       直榫



萌萌哒榫卯结构高清动态组图来啦

榫卯结构的进化

    看着这些动图,可能有的读者会有疑惑,这个榫卯结构又凸又凹的,制作起来多费时费力,为什么工匠们不直接用钉子来连接呢木头呢?

    看似简单的一个问题,其实可以讲出很多有意思的因果。在木匠祖师爷鲁班生活的时期,铁器和铜器还都是重要的战争资源,一般的人民群众是用不起的。即便是王公贵族要用,工匠们造出来的也只能是个头儿长达十几厘米,钉帽直径在两厘米以上的巨型钉子,且强度很差,需要借助烧红的铁棒在木材上碳化出一个孔来,才能把大钉子塞进去。

    呃,原来如此!还是赶紧拜拜鲁班祖师爷,感谢他对中国民族文明的重要贡献吧。当时的鲁班还是有两把刷子的,在当时他就已经掌握十几种榫卯结构了,最著名的应用就是流传至今的鲁班锁。看着它扣起来的样子,感觉根本解不开啊!

                                                         鲁班锁

    之后历经秦汉、魏晋南北朝、隋唐、宋元直至明清,榫卯结构有了长足的发展,式样多达一百余种,在建筑上的应用登峰造极,出现了最大的木构建筑——紫禁城。

                                                  北京紫禁城角楼

    巍峨的宫殿,至今已经几百年了,依然很庄严肃穆、富丽堂皇,这明晃晃的证据着实说明了木质榫卯结构的坚固性。那么,问题来了,这是为什么?

榫卯结构的力学原理

    先来说说榫卯结构在木质家具使用中所体现出的力学原理。中国古代木匠制作家具不仅讲究外形美观,而且讲究其内在的科学合理性。他们没有学过结构力学,但是在天长日久的实践中,练就了通过目测就能大致判断每块木头所受到的承受力的技巧,而这种基本的力学分析正是实现家具结实耐用性的重要前提。在日常经验的基础上,工匠们打造出各种不同的榫卯结构,设计出花样繁多的外观造型。

    凸出的榫头和凹进去的卯眼通过凹凸扣合,便紧紧咬合在一起。为了保证接口不会在木头长期热胀冷缩的过程中松动,工匠们会从不同的角度、方位让一根木头和其他木头通过榫卯结构相连接,这样接口处木头涨缩的作用力就会相互抵消。此外,一些家具的外部造型设计还会进一步保证它在使用中的力学合理性。

                                        半叶梅花凳

    以半叶梅花凳为例,凳面设计采用自然中的梅花叶瓣,三根腿柱明榫相接,从上到下由细变粗。三角形的腿柱在设计中,和其他形状相比,在物理力学上可以降低重心,大大提高稳定性。有趣之处在于连接腿部的三根横杖,每根横杖端头跟腿柱做明榫相交,而端尾跟另一跟横杖2/3处做明榫相交,三根横杖环环相套,在腿部重心形成三角形支点图案,不仅视觉上美观大方,在力学上也非常科学合理。此外,等边三角形各内角60度,这种结构所创造的稳定性,使凳子在受到压力时,力会均匀地从腿柱分散到横杖上,然后横杖对腿柱又起到反作用力

    再说到木构建筑所应用的结构力学就更为典型,它们启用更复杂的榫卯组合结构,使得结构之间力的相互作用更为平衡与和谐。

      抬梁式建筑——佛光寺大殿,位于中国科技馆一层华夏之光展厅

    从佛光寺大殿的半剖模型照片可以看出,它采用的是地上立柱,柱上架梁枋,梁枋上建屋顶。顶部重量就由梁枋到柱,再由柱到地面,所以建筑中的墙壁只是起到隔断作用而不承重。由于木结构各个构件之间的榫卯连接富有韧性,所以即便墙倒也能“屋不塌”。

   山西应县木塔,位于中国科技馆一层华夏之光展厅。应县木塔历

  经千年的四季变化、风霜侵袭和多达十几次的地震,至今屹立不倒

走近现代的榫卯结构

                               上海世博会中国馆——东方之冠

    2010年2月8日,上海世博会中国馆——“东方之冠”落成。在国家馆的设计中使用了传统建筑斗拱榫卯结构,中国传统的斗拱曲线被拉直,这种简约化的装饰线条,完成了传统建筑的当代表达。

                                        中国科技馆新馆外观示意图

    想不到吧,中国科技馆新馆也是榫卯结构的!新馆的建筑主体是一个外形酷似鲁班锁的单体正方形。它结合了中国古代的科学思想和现代科技馆的特点,借助结构力学把若干个积木般的不规则的立体相互连接、咬合在一起,使整个建筑呈现出一个巨大的鲁班锁造型。

    你是不是有点穿越的感觉呢?

                            乐高积木玩具

    乐高的积木发明者奥利·柯克有一手精湛的木匠手艺。1943年为自己的积木玩具设计了“乐高”商标。乐高积木深受榫卯影响,它的连接方式是凹凸榫合零件的组合方式。光是榫卯就有滑榫、直榫、斜榫等多种榫卯结构。

                                                                                图片来自网络,如有版权问题请联系我们

    参考文献

   1.中国古典家具是否用钉子连接,为什么?

   2.土木工程,力学原理的王国

   3.中国古代木结构之精华----榫卯结构

   4.浅谈中式古典家具榫卯结构之美

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