榫卯：优雅的结构力学-微专栏-第109期-中国数字科技馆

专题

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。