已有 39435 次阅读 2017-2-11 09:01 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 连接, 结构, 构件, 榫卯, 斗栱

构件的连接（一）

——榫卯连接与斗栱

一位巧裁缝，能够把剪裁好的布片连缀成端庄或华丽的服装。结构工程师能够把构件连接成宏伟的大厦与各种特别用处的结构。裁缝用的是针和线。结构工程师们用的是什么手段呢？人们用的手段因材料而异。

一．       榫卯连接

我们首先来介绍一下对于木质构件的连接。最常用的就是榫卯连接。榫卯这个词，榫表示构件突出的部分，卯表示凹进的部分，榫部紧密地进入卯相互连接，就称为榫卯连接。由于木结构有数千年的发展历史，所以榫卯连接的历史也非常久远，而连接的形式和花样层出不穷，已经成为一门特殊的学问了。

图1 浙江余姚河姆渡文化出土的榫卯连接类型

图2 河姆渡文化榫卯连接的实物

图1是1973年发现的浙江余姚河姆渡文化出土的榫卯结构连接的类型，图2 是榫卯连接的部分实物，河姆渡文化距今已有5000至7000年的历史。可见木构件的榫卯连接在我国的历史悠久。在这样长的历史发展中，榫卯结构产生了适应不同需求繁多的类型。下面我们就来简单归类介绍一下。

对于要把两根杆对接起来的榫卯如图3，这种情形，对接的两部分需要稍长的对接长度，这样比较能够耐受弯曲，另外其中关键是有一枚楔钉插入卯孔，连接在一起的两根杆就不会在拉力作用下拉脱。

图3  两根杆对接的榫卯结构

图4 两根杆成直角连接时的榫卯结构

对于两根干成直角的连接，如图4。适应于不同情况，图上列出了12种不同的连接办法。有明榫，有暗榫，还有半明暗的榫；有单榫有双榫等等。值得指出的是，两根杆成直角的连接，并不一定要在杆的端头，可以发生在一根杆的中间，或者两根杆在中间相互交叉成直角或任何角度，这时就要把上述的各种榫卯技术灵活应用，或改型构思新的榫卯形式。

三根柱体相互垂直交接在一起，这无论在家具还是在房屋建筑中都是经常遇到的。实施方案有很多种。图5是一种称为粽角榫的连接。它使三根柱体牢固连接三面都很平滑，经常在明式家具中看到，图上的这个粽角榫是用的透榫，如果用暗榫（或称闷榫）则在三面只看到三条呈45°的线，一切都很平滑。显得很干净。图6 是三根圆柱连接的情形，这种榫要求结合起来后，只看到圆柱之间的相交线。这类榫制作起来需要有较高的精度。

图5 粽角榫

图6 三根圆柱相交的情形

图7梁柱的交接

图7 是梁柱交接的榫连接，在两根梁交叉的地方需要相互减弱一半，相互搭接后再置于开十字槽的柱头。由于梁的交接处减弱了所以在梁的下边柱上增加两片枋（如图右），以改善梁端的强度。图8 的左边也是两根梁交接在柱头上，不过它让一根梁通过一个柱头上的榫直接搁置在柱头上，另一根梁搭接在第一根梁之上。图的右边是仿照图5 的粽角榫将三根垂直相交的杆交汇在一起，不过却简单多了，这种榫接不能牢固地汇合，需要胶粘或螺钉仰或是楔钉加以固定。

图8

图9 板的榫连接

图9 是关于板的榫卯连接，上面的三个是板面的拼接。通常的木地板都采用的是企口接。一般两块板成直角的连接，大多用燕尾榫连接。

我们上面大致介绍了木构件之间的榫连接，值得注意的是，在古代的石材建筑中也大量地应用榫卯连接。一般石栏杆、石牌坊、石桥等结构就经常使用榫卯连接。图10 是一个石材用榫卯连接的例子。图11、12、13则是三座著名的石材建筑，都是用榫卯连接在一起的。

图10 石材的榫卯连接

图11山东大汶口明石桥北起泰安市岱岳区大汶口镇南门，南至宁阳县磁窑镇茶棚村。明朝隆庆年间(公元1567-1572年)修建，故名“明石桥”。

图12 珠海十景梅溪牌坊，採用榫鉚方式構造，有瑞獸、花果、人物、書法和八仙圖案，雕刻精美。

图13 巴尔贝克神庙位于贝鲁特东北85公里，建于公元60年前后是世界驰名的古迹。

二．  斗拱连接

中国古建筑中，在世界上一种特有的构件之间的连接方式，就是斗栱。它也可以说是榫卯连接在建筑上的一种特别的表现。

中国古代建筑是以木材为主要构件的建筑体系，梁和柱承重，门窗和墙壁只是作为围护，并不承重。这种承重的结构，下边是立柱，上面是梁桁，在立柱与梁桁之间有一种全面应用榫卯连接技术的构件，就是斗拱。由于有斗栱，能够使出檐向外远伸，也使梁柱的受力更加合理。所谓斗栱是由直接支承在柱顶或栱上的四方形的“斗”与在斗之上向上成为弓形的“栱”合成。（图17）所以合称为斗栱。

图14 四川都江堰市出土

图15 东汉山东苍山县前村出土

图16 山东汉画像石图中已经明显看到有斗栱的构件

斗栱结构在中国有很久远的历史。大约在商周时期，中国的建筑结构中就已经有斗栱的雏形了。从青铜器的图文中已有反映，后来在战国时代的出土文物上也有斗栱的形象。在汉代的画像石上已经有大量的斗拱图像（图14、15、17）。开始，最早的斗栱是柱支承一根梁时候，将支撑力分为两个或三个，后来斗栱变得愈来愈复杂，一个柱头可以支承多根梁或枋。现存最早的斗拱建筑实物，应当是山西五台山佛光寺大殿（图18）。到了宋代，在李诫著的《营造法式》中已经详细介绍斗栱的制作与用材。明清以后，则甚至规定一些重要建筑一定要用斗栱。

图17  斗栱连接示意图

图18 五台山佛光寺大殿的斗拱

图19 斗栱连接示意图

为了说明斗栱对梁的受力所起的作用，我先来看图20，在马的挽具后面挽绳系在一根系杆上，它是一根等臂杠杆，就是说无论马怎样走，马两边的挽绳受力都是一样的。右边是系杆放大的情形。如果我们有两匹马来拉一辆车，那么按照图21挽绳的系杆安排，则两匹马在任何情况下，挽力的分担也是均匀的。如果有四匹马或八匹马来拉车呢，只要多一两层系杆，就能够使各匹马分担相同的挽力。

上面说的系杆分配的挽绳的拉力，而斗栱是要把柱头的支撑力比较均匀地分配到梁上。所分配的是压力。我们再来看图22，那是一个汽车上的雨刷，它是受挽绳系杆启发的发明，它要使雨刷板B任何时候任何点都密切地和汽车玻璃接触，为此它设置了三层栱，每一层都是一根等臂杠杆而且具有相当好的弹性，第一层一个栱、第二层两个栱、第三层四个栱，这和我们分配马拉车的系杆是一样的。所不同的是现在是压力。经过这样分配后，摇杆通过A钩与雨刷的A孔相连给雨刷一个压力并带动雨刷在汽车玻璃上来回摇动，尽管汽车窗玻璃是不平的，而且每时每刻雨刷板所接触的玻璃的曲线都在变化，由于雨刷板所受的压力都很均匀，而且雨刷板又有一定的弹性，所以雨刷板就总是与窗玻璃贴合的，把雨滴扫得干干净净。

到这里，你该看明白了，斗栱从力学上来说至少有两重作用：

第一，斗栱的作用就是和汽车的雨刷上的“斗栱”是一样的，它也有一定的弹性。它的作用是把柱头上的集中力，分为若干个等效的相互有一定距离的集中力作用到被支承的梁上。有一点差别，雨刷与挽绳系杆的支点都近似是一个点，而斗栱之间的接触是一小块面积，正由于此，各级杠杆看作是等臂的只是一个大体的近似，另外有的栱还有中间支点，所以经过它分配的几个力虽然不能看作完全均分的，但总可以看作是以一定的比例分配的。

我们知道，集中力对梁引起的弯矩，比起同样大小的分布的若干力要大，所以斗栱使得梁的受力更为合理，它减小了梁的局部应力。

第二，斗栱还在一定程度上，减少了立柱的数目。斗栱和雨刷毕竟不同，雨刷是平面的，而斗栱是立体的，雨刷只是把摇杆的压力均匀分配到刷板的各点，而斗栱不仅把柱头的支撑力以一定的比例分配到一根梁的各点，还要把这个支撑力以一定的比例分配到纵横交错的多根梁或枋上。斗栱不仅能够把作用在一根梁上的支撑力分散，而且能够使一根立柱支承若干根梁。从而大大减少了立柱的数目，这就不仅能够使建筑的跨度增大，而且能够控制经过一根柱头上的各根梁的支撑力的合理分配，使得整个结构的受力分配更加合理。由于斗拱能够使立柱的减少，所以构件能够使建筑物的出檐外伸得很远，如图19，房子的最外一排立柱是在A的地方，有了斗栱结构，依靠它支承了几根纵向的梁，尽量使椽的悬臂部分减短，这就能够使出檐延伸到B而不需要增加新的立柱。

因此斗栱的发明，而且发明得那样早，是很了不起的。

图20 挽具后面的系杆

图21 两匹马的系杆

图22 汽车上的雨刷

参考文献

[1] 潘德华，斗栱，东南大学出版社，2011

[2] 郭希孟，榫卯之美——明清家具鉴赏，中国林业出版社，2014

                2016/8/21