故宫的古老建筑智慧所在，斗拱的秘密之地。

2024-03-21 民俗文化关注公众号

故宫古建筑斗拱体现了中国古代建筑艺术的独特魅力。斗拱作为古建筑的重要组成部件，以其独特的外观设计和丰富的力学智慧展现了我国传统建筑文化的力量。该研究表明，无论水平或竖向地震，斗拱都能有效抵抗，显示出极高的抗震性能。因此，斗拱是中国传统文化的一种重要载体，也是中国古代建筑艺术的重要象征。

故宫古建筑斗拱中的科学

周乾

作为我国优秀传统建筑文化的代表，故宫古建筑有着诸多的吸引国内外游客的魅力，而其中的典型特色之一，就是斗拱。斗拱是我国特有的古建筑组成构件，是位于柱顶之上、屋檐之下，由斗形、弓形的木构件在纵横方向搭扣连接，而后在竖向又层层叠加起来，形成的一道道组合，外形犹如撑开的伞状，见图1。

图1 柱顶之上的斗拱

故宫古建筑斗拱的主要构件包括坐斗、拱、翘等（图2）。这些构件的成形与我国古建筑演变密切相关。早期的宫殿建筑中，往往采用斜撑的木柱来支撑宽大的屋檐，斜撑分别设于屋檐的前后方。而为了避免落地的斜撑受雨水侵蚀，其下支点便离开了地面，称为短斜撑，并随着审美需求逐渐被弯曲的木料替代，形成了今天斗拱的横向重要构件——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，形成了坐斗。不仅如此，木块上方沿着屋檐方向叠加长方形的垫木，这些长方形的垫木因审美需要逐渐变成弓形，形成了今天斗拱纵向的重要构件——拱。故宫古建筑斗拱不仅造型美观，更包含了丰富的古代力学智慧。

图2 斗拱的主要构件名称

斗拱的力学智慧精华在于它的抗震性能。笔者曾开展了故宫太和殿斗拱抗震性能的试验研究。试验显示：无论是水平向还是竖向的地震波，都不会造成斗拱破坏。发生水平地震时，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。从能量守恒角度讲，地震波的能量传到斗拱位置时，主要分成了2个部分的能量：斗拱的内能及斗拱的动能，斗拱内能即自身产生开裂破坏的根本原因，内能越大，斗拱破坏越严重。然而斗拱能量的另一个组成部分即动能占的比例远大于自身的内能，其原因在于每个斗拱由上百个小构件组成，它们犹如机器的零件一样，在地震作用是不断产生各种运动，耗散了大量的地震能量，从而使得斗拱内能的比例很小，因而斗拱在地震作用下几乎不会产生破坏。事实上，大量的古建震害勘查结果表明，斗拱在地震作用下一般保存完好。

不仅如此，水平地震作用下，斗拱还能产生自动恢复功能，犹如不倒翁一样，其原因在于斗拱特殊的构造特征。这种构造特征使得：一方面斗拱的重心位于斗拱的下方，斗拱犹如一个矮胖的人，在水平地震力（推拉力）作用下尽管产生摇摆，但是不易倾覆；另一方面坐斗的截面尺寸宽大，这无疑增大了斗拱与其底部的接触面，斗拱在水平地震作用下产生摇摆时，分别绕着坐斗两侧的支点进行摇摆（图3）。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，因而斗拱像不倒翁一样，不断地来回摆动。地震波结束后，斗拱又恢复到了初始位置，本身并未受到损害。

图3 水平地震作用下斗拱摇摆示意图

笔者基于科学分析，发现故宫古建筑斗拱还能够抵抗竖向地震作用。其原因在于，斗拱由木材制成，木材弹性模量很小，很容易产生变形并迅速恢复原状，犹如弹簧一样。斗拱在竖向由一层层构件叠加起来，就像一层层弹簧连起来一样（图4）。斗拱层数越多，弹簧的柔性越大。发生竖向地震时（实际上地震波在水平、竖向同时产生），尽管竖向的地震力很大，但是斗拱整体像弹簧一样反复做压缩→复原运动，可以不断地削弱地震力，有着“以柔克刚”的特性。从能量守恒角度讲，竖向地震波的能量传到斗拱位置时，分解成为斗拱的动能、势能、内能，而其中前二者的比例非常大，使得斗拱的内能的比例很小，因而斗拱不会因为受到的内力过大而产生破坏。实际上，斗拱的这种弹簧特性的抵抗地震的方法，从科学的角度可称为“隔震”。

图4 太和殿一层斗拱外立面侧视

综上可知，故宫古建筑斗拱精巧的构造及优秀的抗震性能，汇聚了我国古代工匠卓越的建筑智慧和丰富的工程经验，亦为中华优秀传统文化的重要组成部分。

（《知识就是力量》2024年第2期刊载，有修改）

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