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《华夏意匠》第六章·结构与构造的发展

《华夏意匠》第六章·结构与构造的发展

作者: 刘小博 | 来源:发表于2016-05-14 10:52 被阅读146次

    仅作笔记,无作他用




    古时建筑者所用的技术规范有两种,一种是官方颁布的,像《营造法式》《营造正式》《工部工程做法则例》

    另一类是各地的匠师根据自己的经验并结合当地经验创造出来的,个别杰出的工匠总结经验出书流传,如《木经》

    对于结构和构造,历史上的每一个时代都制定有一定的标准和规范,当时的房屋大体上都是按照这些法式建造,较少去独创方法制式

    并不是所有结构问题都是可以根据法式上的规定来解决,特殊的结构就会出现特殊的要求,遇到这种情况的时候就要求大胆创新

    一方面依据官方和民间法规来解决建筑技术应用和普及,一方面由有经验的有创造力的匠师去发展提供新的技术

    《周礼》是中国最早一本有关建筑技术的记载和规定,说明了在建筑技术上中国很早就倾向于建立一种统一的规定和制式,标准化和模数化就因此逐渐发展成熟

    《营造法式》表明在宋代时标准和模数的概念已经完全的确立,但这只是一种总结而不是创造,在此之前也有《木经》等一些民间规定

    《营造法式》以材为祖的模数制产生了很大作用,是中国建筑的结构和构件沿着一条标准化的道路发展,到了清代以材为标准改成以斗口为标准,模数的使用范围更加扩大

    虽然在近现代建筑中曾有过模数化的理论,但真正全面实现了标准化和模数化的只有中国传统建筑,这种全面系统的让结构和构造在实践中便利安全的做法不能不说也是一种成就

    中国有这漫长的发展框架结构的经验,在不断负担重大建筑工程的实践中积累起对力学的认识,当时来说确实已经达到了一个很高的水平

    中国建筑在开始的时候就发展了木骨架,于此有两三千年的经验,除了稳妥可靠的建筑和一般房屋的标准外,还要负担各个时代的各种特殊建筑任务

    从秦汉至魏晋,建筑物还有过想高空发展的倾向,他们积累了无数成功与失败的经验,这些对结构技术的提高和结构原理的认识都是大有帮助的

    《世说新语》中有过一段关于高楼结构的故事,其中体现了设计者对材料的自重以及力学上的平衡的认识

    三维的空间结构是中国建筑结构的一个基本构成观念,六幕就是指上下前后左右六个方向,在各个方向上互相连接取得整体稳定性

    喻皓在建造佛塔的时候已经有着预应力的观念和认识了

    中国的结构设计问题不在于有没有创造重大的成绩,而在于没有很好的总结,使之上升为一门专门的学问

    西方建筑采用框架结构比中国迟得多到十八世纪才开始着手尝试,不过他们很快就后来居上发展成为高度的现代化建筑技术

    中国人却在十六七世纪更多的发展起承重墙的砖石结构,使得一些房屋设计陷入砖墙的局限之中,传统优点反而失却

    技术的发展有时颇为反复,主要原因是没有建立正确的科学理论工作,用以总结经验和做方向性的指导实践

    半坡仰韶文化地上及半地穴式的居住建筑是中国最古老最原始的房屋类型,面积不大呈圆形椭圆形或者圆角方形,相当于一个房间

    结构是房屋中心部分设置几根木柱,支撑一个外斜的如伞形的屋面,屋里是紧密排列的木椽加涂相当厚的草泥,房屋的周边排列密集木柱

    从原始型的房屋构造方式开始,中国建筑就同时存在着框架结构和承重墙结构两种设计意念,就是说摆在面前的有两条不同的发展道路

    早期的房屋是采用木骨架承重墙作为支撑构造的结构方式,说明了最先采用的还是承重墙式的建屋方法

    木骨架承重墙其后发展为穿斗式柱架,柱架最后演进为梁架,中国式的木框架结构体系到此才正式确立起来

    方格形规则的柱网布置开始时完全是因为屋顶构造而决定的,这个问题可以从《士寝图》中得到证明

    房屋的面积越来越大,在功能上要求室内空间扩大和延伸的时候,立柱就成为一种阻碍,为了取消其中一些支柱,就产生了梁架,这就是中国式梁架形式的由来

    叠梁中每一根梁和其它方向水平构件一样,是整个房屋构架方格体中的一个构件,梁架不过是减柱造的产物,柱可以任意减,梁还是原本的样式

    霤式结构是最古的一种屋顶结构方法,他带来四霤式屋顶,此后这种方法和形式就带有一种神圣的意义,成为表现尊贵的象征

    霤就是四面坡屋顶,这种构造方法后来发展成为建筑物中的一个局部的构造,就是藻井,亭台楼阁的方形屋顶结构也很多是这种原则

    井干式就是用木材在水平方向作井字形叠起来,这个方法构成的封闭体在结构上比任何其他方法都要坚固稳定,而且整体性很强

    霤式屋顶之下可能就是井干式屋身,井干式可以堆叠得很高,古代这种结构可能作为高台或高楼的重要构成形式,这种结构耗费木材太多所以被逐渐淘汰,不过西北地区也有留存

    密柱式骨架墙和井干式结构因为在材料使用上很不经济,因此没有继续发展,随着建筑要求提高,完全基于屋顶构造的方形柱网开始改变

    纵向的间增大,横向因梁的出现原来的支承柱架基本消失,最后位于中心部的柱间距较大,周边的柱距较小,这样不仅符合了功能和美学,在力学上也是一种合理方式

    一般来说就地取材是建筑发展的普遍现象,并且因此还会反映出独特的地方风格特色

    五材并用和以材而定分这两个问题是中国古典建筑结构和设计的最主要实践原则,最基本的精神所在,五材并举换句话说就是对材料使用的无所偏重

    五材就是天生五材,金木水火土,言下之意五材就是一切材料,无论什么材料都可以使用,百堵皆兴

    用木材作为结构构架以木材作为结构构架及组成构件并不表示中国的木材特别多,不过是在经验和认识中确认这种材料的性能符合要求

    另外在很多重大建筑设计中台基栏杆墙身石材的使用量也很多,就不能说因为缺少佳石而没有石构,只是在设计认识上认为石材的性质适宜作为这些部分的构造而已。

    典型的中国传统建筑是一种混合结构,尽量使用各种材料,除了土木石,由火而生的砖瓦金属也逐渐加入,在构造上担任重要角色

    营造法式是以不同的材料的制作加工来划分章节,直至今日我们还是采用这种分类方法来施工

    虽然在制度内容上有关木作和木材的加工部分占了三分之二,这只说明这部分工作的细致和复杂,并不表示他们在建筑工程中占据了这么大比例的工作量和材料使用量

    不过无论任何体系的建筑,都是先用天然材料随着生产力科学的进步才逐渐加入人工材料,人工材料也正是要弥补天才材料的不足才被创造出来

    中国建筑的构造问题首先表现的就是防护的精神,瓦在中国人工材料中出现得很早,因为茅草并不是理想的屋面材料,不能很好的防火和防水,但房屋就是一个保护伞,人住在里面以求保障

    砖最早的时候也是作为一种保护层而生的,用于地面台基的护壁,或用于易磨损的墙壁底层部分

    因为木材和泥土都抵挡不住露天的日晒雨淋,所以露天的部分以后都改用砖石构件

    木材虽然在性能上用于做构架很适合,但是抵挡不住水火,于是便想办法保护和替代,虽然也有铸铜涂金的方法,但限于生产力的关系偶可为之不可能普遍采用

    用金属片包裹和油漆是保护木材的方法,颜色和彩画的装饰不过是保护而产生的形式,延长构件的寿命是构造发展的一个目的,总的要求就是希望房屋能达到较长的使用年限

    中国建筑结构和构造的系统是按照严密的组织层次建立起来的,所有构件都有一种模数的内在关系

    模数一词是现代的外来语,材字就是宋代采用的模数名称是高和宽三比二比例的一系列标准的木材断面,材有八等,度屋之大小而用之

    分是最基本的单位,以三分为一份开始,每一级递增五厘,四等材至六等材,则分三次递增,可能因为较为常用因而划分的更加细致

    构件的尺寸都以材来决定,材的值以建筑物的型类而分等,由此显示古代的模数制已经具有极为细致和科学的内容

    从八等材的计算方法和使用范围可以看出材的等级选择是根据建筑物类型的不同以及间的多少而决定的,不同的建筑物在构造上各有规定,在结构力学上就会产生不同的自重,是基于力学要求的

    除了材,还有一种栔的辅助单位

    材的等级由堂殿房舍的大小规模而决定,不同等级的材推算出不同大小的构件,不同大小的构件决定每个部分的尺度,由此一直演绎出整座建筑物采用的绳墨之宜

    不管大小,建筑在外形上的权衡总是一致的,互相之间永远存在着因材产生的一种基本比例关系,不但有力学意义也有美学意义

    模数制由宋朝至清朝一千年间有了很多变化,虽然由材变成了斗口,但是这个原则始终坚持应用了下来

    西方现代建筑先驱柯布西埃以人体尺度出发,随着费布尼斯级数演化而来的一系列数字作为建筑的模数,可见古今中外模数一直都是受到重视的

    湖北玉泉的铁塔,是北宋时一座完全由铁来铸造的塔,十三层,规模不小,表明中国很早就有金属建造建筑的设计,体现了五材并举的原则

    虽然外形没有摆脱木结构的形式,但在权衡上已经表达了材料的性能,可惜就是没有以铁来替代木框架,由此做出一些结构力学的突破。

    中国建筑结构和构造上的美学力学相结合原则,和今日的实用就是美的理论是吻合的

    中国建筑长期坚持这样一个原则,因为木材是不宜置于完全密封状态的,那样容易腐烂,任何一种木构件损坏都会危害房屋稳固安全

    为了使木构件寿命延长,最好的方法就是使他们处于通风的环境中,结果就是任何一部分构件都要毫无遮掩的直接暴露出来,这个原则是从实践中充分得出的

    开始的时候并不是所有结构设计都是美的,由于木结构的特殊性不宜做遮掩,唯一的解决办法就是在结构和构造在力学美学上完全统一起来

    在必须暴露结构的要求下,构件就不得不做一些加工,经过长期的发展就使他们形成了优美和成熟的形状

    中国建筑中的每一个构件,都有他们各自的长远的历史,它们的形状,构造方式都是经过数百年甚至数千年的考验,中国建筑构件倾向于将来自力学的几何图形改变为柔和的曲线

    直线的主体和曲线的构件形成有趣的对比,化解了呆板的感觉,也符合中国传统的美学观点,柔中带刚,刚中有柔,梭柱就是典型代表

    梁和额枋断面转角之处也很少是尖锐的角,大多处理成小圆角,还有月梁,驼峰,叉手等构造形式

    斗拱是一组优美的空间结构,它是中国建筑所特有的构件,无论在力学上还是美学上都可以代表整个中国建筑的设计精神

    明清之后斗拱在力学和构造上的意义逐渐降低,变为装饰性意味越来越强的东西

    由拱形的替木演变而来的雀替一开始也是结构要求突出,后来那具有丰富装饰趣味的形状让很多人误以为是一种建筑艺术上的装饰品

    由力学到美学,除了艺术思潮的原因,木材本身的性能也是一种决定因素,因为木材容易加工,所有的构件普遍能装饰性处理,而且不仅限于个别建筑物

    古代肯定有过在构件上做各种雕刻的艺术加工之举的,因为会伤害木材构件的强度,到了对力学有更多认识之后就不再流行了,精细的木雕转而在隔扇屏风以及室内装饰中出现

    在手工业生产方式之下,中国建筑的构件大致上都保持着一种忠实的形状

    中国建筑的斜屋面所形成的反曲面,一直都是很多建筑学家感兴趣的问题

    有人认为这是为了容纳冬阳,减少夏日,还可以减弱横向风压,排除雨雪

    部分学者说这是由于构造技术上的缺陷造成的,也是不对的看法

    《营造法式》中的举折和柱生起之制中可以看到屋面和檐口的曲线是有着严格的构造规定的,是十分受到重视的,这是整个构图的象征和意匠的问题

    曲面屋顶产生于何时,产生的原因都还没有定论

    中国南方的建筑物屋顶比北方翘起更大一些,这不仅仅是功能性的基于天气条件,本身是一种有意识的艺术语言,在于表达另一种风格

    在宋代关于屋顶坡度和坡面的处理叫做举折,到了清代就变成了举架,从作图变成了采取数据,相比较就是越来越显得峻峭了。

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