中国古代的多层木构建筑中,上下两层之间靠什么来连接,保持稳固?

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中国古代的多层木构建筑中,上下两层之间靠什么来连接,保持稳固?

2022-12-26 22:21| 来源: 网络整理| 查看: 265

这问题乍一看好像很小,就是梁板柱搭接呗。估计不少人跟我第一感觉可能差不多,它便一直没什么人回答,关注者寥寥。

可是你深究下去,会发现很多新问题:搭接形式长什么样?怎么个做法?为什么这么做?......

我走过一些古迹,也读过一点史书,但是翻遍回忆,对于古建构件搭接做法形式却印象模糊。

为什么?原来,结构构件交接完,就藏在了构件节点内部,你就算站在建筑跟前也看不见它!

常见的建筑书籍,着重关注的是造型、功能、空间、形式,兼有结构、材料,但有关具体的节点做法也相对较少涉及。

这使得科班出身也未必能把其中道道讲清楚。惭愧。

更为惭愧的是,十年前,韩国将我国已经申遗了的“中国传统木结构建筑营造技艺”改了个名,以“大木匠与传统的木结构建筑艺术”成功申请了联合国非物质文化遗产。十年间,每年都有营销号把这事翻出来当新闻炒,引得一些群情激愤,但对于真正的技艺总缺讨论氛围,让人不免张皇。

这延续了几千年的技艺,想当年作为文化的载体,传遍海内外中华文化圈,是当之无愧的“国货之光”。如今只有在别人觊觎我们文化遗产的时候,才能因为“损失厌恶”的心理,获得些许的关注。

感谢这个敏锐细致的提问,让我们可以借此稍稍加以深入的讨论。

我就先来抛个砖。

中国幅员辽阔,南北东西气候差异较大,由此产生了不同的建筑形式。本文在此仅讨论最具代表性的中国古代官式建筑,不涉及各地民居。

为了便于理解,我们来看一下现代建筑结构体系中的钢筋混凝土框架结构。

现代主义建筑中,“底层架空、流动空间、自由平面、自由立面”等风格要素实现的前提,就是将墙承重替换为柱承重的框架体系,增大房间平面分隔与立面开洞的自由度。20世纪中叶在西方兴起的建筑新风潮与延用几千年的中国古建结构形式不谋而合。

框架结构以柱承梁、梁承板,形成稳定体系。其中,以混凝土塑形,在其凝固后将纵横上下各个方向的构件融为一体。内置钢筋拉结,增强抗拉能力和整体稳定性。

钢筋混凝土梁柱搭接方式 - 浇筑凝固融为一体

在多层建筑中,每一层都重复相同的梁板柱固定搭接做法,上下层层叠加,浇筑凝固融合为一个整体。

传统木建筑的整体受力形式与框架结构基本一致,同样是用梁柱承重。但木建筑是用木材制作成独立的梁板柱,再拼接成型,无法像混凝土凝固后融为一体。

那么各个木构件之间是如何固定,保持上下左右连接稳定的呢?

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我国有一种延用了几千年的构件搭接固定技术,它大部分时候不用胶水、不用钉子、不用绑扎。

这种技术做法被称为“榫卯”。

宋人李诫在他的巨著《营造法式》里提到了几个榫卯的图例,说明当时做法已然非常成熟。

榫卯的组合形式繁多。它不仅与本身功能相关,也与木构件所处位置、构件之间组合角度、结合方式、及木构件的安装顺序和安装方法都有直接关系。

当代古建大佬马炳坚在他的《中国古建筑木作营造技术》里,将榫卯分成了六大类,并辅以图示进行了详尽地拆解。

建筑上下层之间的稳固,不仅取决于垂直上下之间的联系,也需要抵抗左右水平方向的荷载。因此对于保证整体各个部件联系稳定,六大类榫卯都很重要。

1. 固定垂直件(用以固定柱子自身)

a 落地柱、悬空柱等的固定

在规模体量大的建筑中,建筑自重大,可形成足够的摩擦,故采用(1)柱顶石即可;一般体量建筑采用(2)海眼+管脚榫;当建筑处于常年有较大风荷载的区域时,则用(3)透眼+套顶榫(套顶榫埋深,易腐蚀,需做防腐)。

b 瓜柱柱脚半榫

(i)屋架短柱(脊瓜柱等)节点

瓜柱根部须做双榫,以夹住角背,增强稳定性

(ii)童柱(上层短柱)穿插固定方法

当出现上下层柱时,上层柱与落地柱的固定方式大致相同。区别在于上层柱脚、柱身会留有若干卯口,用于水平向的构件(如枋等)穿插,起到连接和固定的作用。

2. 垂直与水平构件拉结(用以搭接梁和柱,使横竖固定)

a.馒头榫 (多用于柱头,用重力压紧)

柱头榫 + 梁底海眼 - 避免水平位移

b. 燕尾榫(多用于拉扯联系构件,如阑额)- 榫面不能太小,否则无法承受竖向荷载造成的剪力。其端部宽,根部窄;对应卯口,里面大,外面小,扣上之后不会出现拔榫现象。

收溜:榫口上面大下面小,下落安装时越落越紧,既便于安装,又能增强节点稳定性。

c. 箍头榫(枋与柱在尽端/转角采取的特殊结构,类似于大型倒钩)- 拉结力强、保护箍头、装饰性好

(i) 霸王拳 大式建筑

(ii) 三岔头 小式建筑

d. 透榫(用于需要拉结,但又无法用上下起落的方式进行安装的部位)

大进小出

e. 半榫(用于两端梁相对 同时插入柱中,各占一半;用替木拉结,避免脱榫的情况发生)

替木不仅是辅助支撑,减少梁跨距,还能穿透柱的两侧相连通,有联系拉结两侧构件的作用。

3. 水平构件交互(用于水平相对或水平十字交叉构件的拉结固定)

a.大头榫 - 类似燕尾榫

b.十字刻半榫(多用于方形十字交叉构件,上下构件各削去一半)

c.十字卡腰榫(多用于圆柱形构件十字相交;窄面左右4等分,左右各削去1分;上下2等分,上下构件各削去1分)

4. 水平或倾斜构件重叠稳固构件

a. 栽销 - 在两层构件相叠面对应位置凿眼,然后把木销载入下层构件的销子眼内。安装时,将上层构件的销子眼与已栽好的销子榫尾对应入卯孔。栽销不穿透构件

斗栱杆件各层之间的固定点

坐枓与平板枋之间的固定方式

b. 穿销 - 穿过多层构件的销件(类似插销)

5. 水平或倾斜构件叠交或半叠交构件(预留合适形状尺寸的卡口,配合构件搭接)

(i) 桁碗,老角梁&仔角梁 用于搭接桁/檩部位的适应性形态缺口

根据搭接构件的形态尺寸,预留适宜的交接口型,避免尺寸不搭造成的构件失稳

(ii) 趴梁阶梯榫

作用同桁椀,根据搭接构件的形态尺寸,预留适宜的交接口型,避免尺寸不搭造成的构件失稳

6. 板缝拼接(将多块小木板拼接成大木板,如门板、地板)

做法有:银锭扣、穿带、抄手带、裁口、龙凤榫(如图)

早年榫卯极少用其他辅助手段如胶水、铆钉等增强稳定性,但随着人们对材料性能的理解逐渐加深,对辅助手段也越来越包容。

由于木材本身的特点,在榫卯处理方面,不可避免存在一些弱点。如榫卯结合处的受剪面偏小,燕尾榫较短,有些节点只能使用半榫拉结等等,都对木构架的结构功能有一定影响。为了克服这些不足之处,清代在建筑物上大量使用铁件加固,如在拼接的柱、梁、枋外面缠铁箍,在角梁与桁檩搭交处钉角梁钉,在板缝拼接处加铁铜等。铁件的使用,对于克服木制榫卯的某些弱点,增强构架的结构功能,大有助益。

拆解完六类榫卯节点,我们对于各类构件交接处的做法应该大致有了点感觉。

但仅仅知道构件是怎么交接的,拼接出来的不一定是木建筑,也有可能是孔明锁。

因此,除了细节的交接方式之外,搭建古建筑,还需要遵照一定的形式原则。不同形式原则下的古建筑,其上下层交接的方式也会有些微差异。

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北宋的《营造法式》未明确将建筑按结构形式分类,仅在图样里有所提及部分形式做法。东南大学潘谷西、何建平两位前辈在他们合著的《营造法式解读》中,根据散落在各卷中的关联性内容,进行提取分类。梳理出官式建筑中,按等级规格质量划分的主要三种类型:

殿阁式(或称殿堂式)厅堂式余屋 柱梁作

其中,3.余屋柱梁作,仅用于普通建筑,等级低,用料小,少装饰,枓栱简化到极致,或者干脆没有任何枓栱元素,与现代简洁的梁板柱形式相近。除了没有枓栱,结构形式与2.厅堂式基本相似,故略去不表,可参考厅堂式做法。

此处主要介绍殿阁式和厅堂式两种做法。

殿阁式

构件用料最大,规格较高,屋架下所有柱头和梁枋间都施枓栱以支撑,内外柱同高。天花构造常用平棋、藻井(即吊顶),宏丽壮观。吊顶之上布置草架(草草施以架构),只求稳固即可不求美观(反正看不到)。此式样多用在庑殿、歇山等屋顶形式的建筑中。

营造法式中的殿阁式图样 - 单层殿阁

单层殿阁被称为殿宇,其结构可划分为三小层:柱框层、铺作层(即枓栱层)、屋盖层;

铺作层,是木构架最复杂的部分,用以支承屋架和挑檐的支座,结构受力传至柱头,同时有装饰作用。具体铺作(枓栱)会在下文详细讲解。

铺作层的各个枓栱之间,以柱头枋、罗汉枋等类似梁的水平构件连接并交圈,形成如现代的圈梁,增强建筑的整体稳定性,抵消水平力。

多层殿阁被称之为楼阁,其结构形式就是将单层殿阁中的下部两小层(柱框层+铺作层)进行重复若干,上下层叠。

天津蓟县独乐寺观音阁(辽):外观名义上为二层楼(中间平坐(小层3~4)为暗层,被腰段屋檐挡住,外观看不出),实际结构小分段为7层

楼阁层叠做法自唐至清一脉相承九百余年,仅用于高等级建筑。

优点:室内空间柱高整齐划一,斗栱纵横罗列,气势极其堂皇缺点:檐柱与内柱之间无直接联络构件;各檐柱之间仅靠阑额和地栿连接,柱框整体性很差;需要用厚墙或者斜撑或者副阶周匝(附属围廊)来承受水平方向的作用力

实际案例:

山西应县佛宫寺释迦塔(辽)

彩图:国家地理中文网

顺便看一眼宋辽时期佛塔的枓栱尺度,比一人还要高。

天津蓟县(原河北)独乐寺观音阁 (辽)

梁思成 测绘-《图像中国建筑史》

叠柱,内柱与檐柱同高,内柱用多层斗栱叠加以渐近屋架,进行结构支撑。

厅堂式

用料相对于殿阁式略小,无天花板吊顶,内架露明,需用栱、枓、驼峰等装饰。厅堂式样多用在歇山、悬山屋架建筑。

营造法式中的厅堂式图样 - 单层厅堂

相对于其他类型图样,厅堂式建筑在营造法式中被收录最多,可见其在当时的成熟度、流行度以及地位的重要性。

厅堂式结合了柱梁作和殿阁式的优点,可以算作一种混合形式。

它结合了柱梁作的结构搭接方式:内柱高于外柱,梁栿后尾 及 顺栿串(可理解为沿进深方向的水平连接件) 插入内柱,顺槫方向则有顺脊串、顺身串、腰串等联络各柱(可理解为梁下柱中沿面阔方向的横向连接构件),框架整体性很强。

又结合殿阁式:外檐有多种类型斗栱,房屋进深尺度大,可用重檐。有殿阁式的装饰手法,而又不与其完全相同:内部不用天花吊顶,而用露明造。内侧柱上常有替木、驼峰等加固并美化(因没有吊顶遮挡,顶部结构件不能草草不施装饰)。

简而言之,厅堂式结构,即有简明稳固的力学结构,又有较好的艺术效果。

在多层厅堂式建筑中,内外侧柱高不同的特点体现得更为明显。内柱可以从地面到顶面贯通整个楼高,形成通柱式,提供更为整体稳固的结构性能。

河北正定隆兴寺慈氏阁(宋)

正因为厅堂式较好的结构性能,并且枓栱数远少于殿阁式,节省工料,简化施工流程,自宋以后,厅堂式成为官式建筑的主流。只有在特别高等级的建筑中,才会采用殿阁式。

厅堂式建筑实例:

河北承德普宁寺大乘阁(清)

下方殿阁式和厅堂式的简化图中,可以清晰地看到两者的区别:殿堂式除附廊(副阶周匝)之外,内外柱同高,有等高的枓栱铺作层;厅堂式内外柱不同高,结构性更完整,内柱空间少有枓栱。

营造法式木构架类型一览表

历史上也有殿阁+厅堂的混合做法:

宁波保国寺大殿(北宋) 半厅半殿

既有等高的铺作(枓栱)层,又有内外柱不同高的空间。

河北正定隆兴寺转轮藏殿(宋)

原本平坐(暗层)中间被打通利用,内侧底层柱 直接支撑于上层楼板之下,并且上层内外柱不同高直接支撑屋架(此为厅堂式的延伸);上下楼层之间层叠,下层两段铺作层分别同高,则有“殿阁式”的风格。

山东孔庙奎文阁 (明)

屋架内部支撑没有叉手托脚(体现现代简洁性)。斗栱比例偏小,由此普拍枋(类似水平梁,紧贴正立面,其上承枓栱)也变小;斗栱踩数(出挑构件层叠数)增加,而阑额(普拍枋下平行连接件)加大增厚;

底层用殿阁式,内外柱同高,有枓栱。上层平坐柱通贯两层,其上没有斗栱,直接承梁架。

后世清代建筑承袭其风至朝代结束。

殿阁式和厅堂式的形式构成原则不同,上下层叠的方式有差异。但上下柱子的搭接细节节点却基本通用。

上下楼层柱相叠的做法有五种(前二项 营造法式中有记载,后三项仅见于实物):

叉柱造:上层柱立于平座栌斗之上;(即柱子插在枓栱大枓之上)

叉柱只需立在栌斗上,《营造法式》对其没有其他退柱径要求。

2. 缠柱造:上层柱立于平座栌斗内侧,且转角铺作栌斗用三枚;(即角端柱子被三个枓栱环绕,实例中未见)

角柱附角枓案例参考。角部三枓栱,但为单层建筑其无上层柱,不算缠柱。

辽宁奉国寺大殿(辽)

3. 平座柱叉立于内侧梁枋(进深方向),近似2.缠柱造,但转角栌斗用单个而不用三个;(类似于把角柱缠柱造去掉两侧的枓栱,只留一个,如正定隆兴寺转轮藏殿)

4. 上层柱立于柱头枋及楼面铺板枋(面阔方向),即柱子立在与面阔平行的横向梁枋上,如隆兴寺慈式阁;

5. 平座柱立于草栿、枋子之上,再置于铺作层上(即柱子立在吊顶上方的梁架上,如蓟县独乐寺观音阁、应县佛宫寺塔平座)

柱头枋图示:

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除了上下柱之间的搭接,由于多层古建基本都是高等级建筑,便还有一个殿阁式和厅堂式都绕不开的构件——枓栱。

梁思成 中国建筑柱式测绘手稿 —— 枓栱

枓栱一般只出现在官式建筑中的高等级建筑里,外观上用阵列重复构件营造出与普通建筑不同的宏大气势。

除此之外,枓栱在结构上的作用也十分明显。对于外侧,出檐悬挑,增大屋檐或者围廊的出挑深度;对于内侧,支撑梁枋,在不占用地面空间的前提下,减少室内梁的跨度,可以让室内无柱空间范围做到极致。

它承托着梁板、屋架、挑檐、平坐等,是稳定上下层的重要构件。

枓栱主要由出挑构件(华栱、昂)和横向构件(令栱、慢栱、瓜栱、泥道栱等其他栱)组成,其中发挥主要结构作用的是出挑构件,类似于悬臂梁,承受上部出挑物的主要重量。而横向栱构件主要用于稳定出挑构件,避免侧倾。

因此,在出跳构件层叠较少的枓栱里,常有省略横向栱的做法(偷心造),而见不到省略出挑栱构件的做法。

从枓栱构件爆炸透视图中可以看到,所有出挑栱构件的榫卯凹口都在下侧,且卯口深度较浅,目的在于避免过多削减它的受力性能;而横向栱构件的榫卯凹口都在上侧,且深度较深,也证明其并非主要受力构件。

在实例中,我们可以看到应县木塔的平坐暗层(围廊层)里侧的内挑栱,采用层叠木板,而对外侧仍然是正常枓栱样貌,可知枓栱简化到极致的形式便是出挑而堆叠的板件。用梁思成的弟子陈明达大师的话说,枓栱原型就是“井干和悬臂梁的结合”。

尽管结构作用基本相同,为了对应不同的建筑等级,枓栱也衍生出了很多不同的形式。

单斗只替

栌斗+替木,不出挑,仅辅助柱子承托水平横向构件梁、槫。

实例:云冈石窟、唐宋低档官式建筑(梁头矩形 切耍头)

把头绞项作

把“单斗只替”的替木换做令栱+素枋

实例:麦积山石窟、敦煌唐壁画、唐西安兴教寺玄奘塔 - 最早移植到砖石建筑;补间有人形栱

斗口跳

把上述“把头绞项作”的梁头出挑做成华栱(出挑栱),其上直接支撑檐口,而不需令栱(横栱)

实例:山西平顺天台庵

四铺作

其在“斗口跳”的基础上,华栱外挑之上作令栱,形成四铺作枓栱

五铺作

四铺作多一跳,即增多一层出挑构件,可用华栱或者用下昂出跳

六铺作

在五铺作上增加一个向外出挑的栱构件

七铺作、八铺作逐级增加出跳栱构件,层层相叠,规律同上。

官式建筑中最低等级不用枓栱,被称作柱梁作。用枓栱之后从“单斗只替”、“把头绞项作”、“斗口跳”到 四、五、六、七、八铺作,等级逐级上升。

层层出挑相叠的枓栱构件之间,会有一些细微的空隙,使整体产生类似弹簧的缓冲作用,让建筑即使在极端外力作用下,也能有一定的韧性。

柱子结合枓栱,解决了竖向的荷载力,但仅凭竖向构件结合紧密,无法保证构件的稳定性,想象一下把一根根筷子独立竖起来,是不是很容易倒?

这时就需要在这些竖向的构件之间,用横向构件进行搭接联系。

连接枓栱的水平稳定构件叫做“襻间”,连接柱子的水平稳定构件叫做“串、阑额、(不受竖向力的)梁、枋等”。

襻间、阑额

襻间、顺身串

竖向受力构件结合水平稳定构件,纵横交错,紧密联系,应对各个方向来的外力,终于使得我们的传统古建筑(无论单层还是多层),能够牢牢屹立,千年不倒。

除了以上提到的上下层间交接稳定的手段,你也许还能想到使建筑整体几何形态形成稳定趋势的生起、侧脚。

生起、侧脚,可以让建筑水平整体内凹,形成内聚力,增加稳定性。

北宋时榫卯技艺以及柱间横向拉结件不够充分稳定,需要生起侧脚将整体木架内聚向心;但工程施工搭建过程十分繁琐:枓栱坐落在下凹的枋上,需要在地面做样板件的时候就模拟出曲度,再拆解后在枋上复现,流程繁复。

明清时期改进木架构的整体联系,柱与柱之间设置随梁枋、穿插枋,去掉柱、梁、檩之间的枓栱,直接相交;去掉暗层,改叠式结构为通柱式的整体结构。加强了木构架的整体稳定性,从而使繁琐的侧脚和生起在结构上已不重要了。在此一笔带过。

也许你还发现了,全文没有引入抬梁式、穿斗式的概念。原因之一,是它俩主要都用来描述对于屋架的支承方式,把梁抬起或穿透,各类书籍解释其概念时用的都是单层建筑的屋架梁。对于多层建筑各段楼板支承的方式,还是用殿阁、厅堂等概念更好解释一些。另一个原因是,在学术界抬梁、穿斗的概念还存在争论分歧( @Dr.木鱼 建筑的穿斗式和抬梁式有什么区别?),为避免混淆,本文不用其概念。

另外,由于本问答关注的是稳定多层建筑上下之间的构造方式,对于屋顶这个中国古建极为重要的部分就没有花篇幅阐述(它的自重对于稳定结构大有裨益)。

以其形式类型多样(庑殿、歇山、悬山、硬山、八角、重檐等),并且构造复杂的程度(交接形式、构件、几何力学原理等),想要说清楚也值得另开一篇新的问答了,在此便略过。

屋架示例:歇山建筑屋顶构造

了解完构件搭接方式“榫卯”,建筑形式原则“殿阁厅堂”,以及重要结构形式构件“枓栱”,一座多层中国古建筑的形象应该可以在你的脑海里初步搭建并且基本保持稳当了。

我猜,现在你脑中的画面应该跟下面的两幅抽象画差不多。

楼阁 汉画像石 江苏徐州楼阁 汉画像石 江苏邳州

这是来自两千年前的汉朝画像石,里头的多层楼阁可以看做中国古建筑的最简化原型。它既有殿阁式的上下分段层叠,又有厅堂式的贯穿通柱,并且两者在各层楼板和屋檐处都有出挑的枓栱。是不是跟刚才说的结构构造原则一摸一样?

下面这幅梁思成从青铜器上拓下来的“採桑猎钫拓本宫室图”来自比汉朝更早的战国时期。

它是现存能反映中国木架构建筑最早的资料。同样也明确显示了殿阁式多层建筑的统一特征:内外柱同高,上下层叠,以枓栱层支撑。

在之后的各个朝代里,中国木建筑虽然外观不断演化,但几千年来这最基本的结构形式原则却从未改变,一如中华文明 一脉相承不曾断绝。

你看那梁上朵朵,还在绽放无限生机。

“你是一树一树的花开,是燕在梁间呢喃”

我是胡子长,专注人类可持续

参考文献:

李诫,《营造法式》;

马炳坚,《中国古建筑木作营造技术》;

潘谷西、何建中,《营造法式解读》;

梁思成,《图像中国建筑史》;

梁思成,《营造法式注释》;

陈明达,《应县木塔》;

李国新、杨蕴,《中国汉画造型艺术图典-建筑》;

林徽因,《你是人间四月天》;

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