建筑風格中蘊含的科學密碼

苗若玖

從“作廟翼翼”到“檐牙高啄”

“縮板以載，作廟翼翼。”這出自《詩經·大雅》中《緜》一詩，描述周代的人們建造宗廟的盛況，可見在當年，傳統的中國式建筑已經頗具規模。無論是故宮、頤和園那樣雄偉的皇家建筑群，還是老北京恬靜的四合院，抑或深山中的寺廟宮觀和江南婉約的私家園林，都有著從3000多年前一路傳承下來，讓人一眼便可認出的“中國風”。它們往往有曲線優美的屋頂，像鳥翼一般舒展，呈現出木結構獨有的魅力。晚唐文學大家杜牧在其代表作《阿房宮賦》里，對中國建筑風格極盡溢美之詞：“廊腰縵回，檐牙高啄;各抱地勢，鉤心斗角”，阿房宮的壯美躍然紙上。

事實上，中國傳統建筑最鮮明的風格之一，或許就是兼顧實用和禮數的屋頂體系。根據不同的屋頂式樣，人們可以很容易地了解房屋的大體用途，或者說它們（及其主人）在城市中的“等級”。而在屋頂內部，精致的榫卯結構，讓木制構件彼此結合，無需釘子或粘合劑，也同樣堅固耐用。

從實用的角度來看，中國式大屋頂也是科學的設計。以木材構造房屋主體結構的建筑模式，意味著防腐是建筑者必須解決的問題。因此，中國古代建筑擁有了獨特的大屋頂設計，這樣的屋頂不僅籠蓋了屋身，挑出較遠的屋檐，也會對墻體、（木制）門窗和夯土臺基起到一定的保護作用，同時也消除了大屋頂給人們的壓抑感。屋頂四面的屋檐，配合交錯相扣擺放的圓弧狀瓦片，可以讓雨水由拱起的瓦片流到下凹的瓦中，從而被導到屋檐的邊緣流到地下，保證了房屋本身的干燥。因此，盡管中國傳統建筑隨著時間的流逝而分成了多個“流派”，但大屋頂仍然標示著它們“出自同門”的“血統”。

四合院背后的管理科學

除了標志性的大屋頂，中國傳統建筑中的瑰寶，還有令人印象深刻的北京四合院，它充分反映出元明兩代建筑管理科學的成就。

元滅金戰爭之后，位于今天北京城南部的原金中都迅速衰敗，新建的元大都因而成了“白紙上畫出來”的城市，擁有先規劃再建設的優勢。當年的城市設計者選擇了《周禮·考工記》中給出的“棋盤式”建城方案，先規劃貫通城市的主干道，再規劃與它們平行或垂直的不同等級的道路，最后根據基本一樣的圖紙，用一個個院落迅速“填充”被道路分割而成的地塊，打造一座模塊化的城市。明初營建北京城時，也采取了類似的策略，將整座城市當成巨型四合院來設計。紫禁城是北京城里最大的四合院，也相當于北京城這座四合院的內院。而在城市的其他區域，不同等級的四合院成為貴族、各級官員和平民等不同級別的人員的居所，城市結構同樣是模塊化的。

“棋盤式”的建城方案，讓人們不易迷路，而這種安全感又被四合院本身的規制所強化。四合院分為內院和外院，只要關閉大門，路人就不可能看到院內的情況;即使有賓客來訪，大多也只能停留在外院。于是，四合院最大限度地保證了居住者的私密空間。

但對于居住在四合院里的人來說，他們的居所又為他們提供了頗為宜居的環境。在幾乎沒有公園，只有皇家園林的古代北京，四合院就如同一個個自給自足的“生活單元”，不僅滿足了人們居住和飲食的需要，也滿足了人們觀看綠色植物和鳥、魚等寵物放松心情的精神需求。更重要的是，四合院內院的四面房門都開向院落，這就為居住在院內的一家人創造了大量交流的機會，使幾代人之間保持著濃厚的感情，也讓北京城的氛圍變得安詳起來。

知識鏈接 “唐風”影響下的日本古建筑

基于日本列島盛產木材的特點，日本人喜歡建造通透輕盈而且工期較短的木構架房屋。隋唐時期中國的建筑風格在中日交往中被日本引進，極大地改進了公元1世紀基本成型的日本傳統木建筑風格，使日本建筑也采用中國式的梁柱結構，甚至也有斗拱;但日本建筑同樣也保持著自身特色—尤其重視并擅長呈現材料、構造和功能性因素的天然麗質。

木結構建筑因為“以柔克剛”而利于抗震，能夠適應日本列島多地震的環境;但因為木材易燃，如果房屋過于密集，也容易成為火災的溫床。從17世紀初到19世紀中期的德川幕府統治時期，江戶（今天的東京）因為要優先保證武士和僧侶的用地需求，使町人（平民）居住區極端擁擠，時常發生火災，以至于在日本有“火災與斗毆是江戶之花”的自嘲性說法。日本的城市消防體系，也在木建筑與火災的“斗法”中逐漸發展起來。

雪域高原上的建筑奇跡

在被稱為“世界屋脊”的青藏高原上，高海拔環境塑造了這里的建筑風格。西藏首府拉薩的海拔已經高達3650米，是典型的高原城市;而比拉薩海拔更高、空氣更稀薄的城鎮，在西藏也有不少，珠穆朗瑪峰附近的絨布寺甚至位于海拔5100多米的地方，被認為是世界上海拔最高的宗教建筑群和居民點。

青藏高原由于高海拔而寒冷，也比較缺乏采暖所需的燃料，但又因為空氣稀薄使得日照更為強烈。在這樣的條件下，房屋的光照就成為溫暖的關鍵。為了擁有更好的光照條件，絕大部分傳統的西藏建筑，都會采用南向建筑，而且盡可能避免縱向尺寸大于橫向的房屋設計，減小房屋進深（與房間的主采光面垂直方向的深度）。而且，傳統的民居建筑通常不會超過3層樓，彼此間盡量避免相互遮擋，以最大限度地獲取陽光，即使在嚴冬也不會讓室溫過低。

出于保溫的需要，傳統西藏建筑的窗戶尺寸都比較小。窗戶黑色的邊框，民間傳說取法自象征吉祥的牦牛頭，但也因為黑色吸熱而無形中增強了房屋的取暖能力。如果建筑物不止一面開窗，那么朝南的窗戶通常會相對放大一些，在接收陽光和保暖之間尋求平衡。有一些比較重要的建筑，還可能會在東南方設置“拐角窗”，由此利用初升太陽的光芒，以求盡快度過最為難熬的黎明。

盡管環境艱難，西藏建筑仍然形成了別具一格的美感。特殊的地理位置和佛教文化的影響，使相當多的建筑融合了中原地區、西藏本地，以及與中國相鄰的尼泊爾、印度等國的建筑風格，成為喜馬拉雅山脈兩側文明交往的見證。坐落于拉薩市中心，擁有1300多年歷史的大昭寺即是如此。

位于市區西北瑪布日山上的布達拉宮，更是集宮殿、城堡和寺院于一體的西藏建筑瑰寶。由于需要承擔重要的宗教和政治職能，布達拉宮修建得極為堅固。它的整體為石木結構，宮殿外墻厚達2～5米，基礎直接埋入巖層，墻身全部用花崗巖砌筑，高達數十米。為了進一步加固墻體，一部分墻內還被灌注了鐵汁。在寒冷而缺乏氧氣的青藏高原上完成如此偉大的工程，其艱辛是難以想象的。也正因如此，布達拉宮被認為是雪域高原上的建筑奇跡，成為拉薩乃至西藏的象征。

沙漠綠洲別樣建筑風情

沙漠中星星點點的綠洲，同樣孕育著適應這一環境的文明。幾千年來，不同的文明在沙漠中譜寫了種種建筑史上的傳奇：金字塔、亞歷山大燈塔，還有后來居上的阿拉伯建筑。

隨著伊斯蘭文明的興起，阿拉伯人在公元7世紀形成了統一的國家，為阿拉伯科學的誕生奠定了基礎。公元751年怛羅斯戰役之后，阿拉伯人學到了中國造紙術，極大地方便了書籍的著述、抄寫與文化的傳播。在吸收了儲存于波斯的古希臘人的科學著述，并汲取了古印度科技成果的基礎上，阿拉伯科學體系逐漸發展起來，于此后的幾個世紀，在醫學、物理學、數學、天文學等領域，都取得了出色的成就，阿拉伯建筑也得益于科技特別是數學的發展而大放異彩。

由于伊斯蘭教禁止崇拜偶像，因此傳統的阿拉伯建筑，通常會以復雜的幾何分形圖案、藝術字體和書本形狀的設計元素來進行裝飾。這樣的設計思路，讓阿拉伯建筑既令人著迷又引人深思，在莊重和變化之間形成出色的平衡。而想要做出這樣的設計并將其付諸實施，顯然有賴于數學的支持。

時至今日，我們仍然可以在西亞、北非和中亞的很多清真寺，以及其他一些地標建筑上，看到復雜而精致的幾何圖案裝飾。沙特阿拉伯的麥加禁寺（大清真寺）、麥地那先知寺，以及伊朗的伊斯法罕清真大寺，都是這種建筑風格的代表。而在中國和西歐等地，也有不少采用阿拉伯建筑風格的清真寺，以及其他一些地標建筑物，呈現出濃郁的中東風情。

阿拉伯人的科技成就，不僅體現在建筑物的裝飾設計方面。沙漠地區水源極為珍貴，這讓人們喜愛郁郁蔥蔥，充滿生命氣息的園林。在建造園林時，阿拉伯人充分發揮科技手段，特別重視對水的運用和控制。封閉式的建筑群與特殊的節水灌溉系統相結合，在沙海里難得的綠洲之中，打造了由人造水體、涼亭和人工栽種植物組成的美麗花園，成為引人入勝的安逸所在。

知識鏈接 地窩堡機場的獨特含義

新疆首府烏魯木齊的機場名叫“地窩堡國際機場”，而“地窩堡”這個名字，就記錄了這座沙漠城市的郊區曾有不少“地窩子”的歷史。所謂“地窩子”，是一種在沙漠化地區比較簡陋的民居，其主體是一個深約一米的坑，四周用土坯或磚瓦壘起半米高的矮墻，房頂用草葉、泥巴和樹枝等物混合構成。這種半地下式的原始建筑，卻可以有效抵御沙漠附近常見的風沙，并且冬暖夏涼，只是通風條件比較差。如今，這樣的居所在烏魯木齊已經基本消失。但機場獨特的名字，保留了這座城市艱苦奮斗的印記。

磚石建筑營造歐式浪漫

從南歐的雅典和羅馬，到西歐的巴黎和巴塞羅那，許許多多的歐洲城市，都洋溢著“浪漫”的氣場。前往這些城市的游客們，往往會為城市中古老而華麗的磚石建筑而傾倒。

歐洲式建筑的歷史，可以追溯到古希臘時代。從那時起，歐洲大型建筑就開啟了使用磚石建構的定例。古希臘人的審美觀，讓建筑的外觀簡潔大方，有著極具沖擊力的明快線條。而古希臘人的數學成就，也影響到建筑的設計與建造。黃金分割率的引入，讓建筑具有了視覺上的和諧;尺規作圖“三大不可能問題”中的“倍立方問題”，也就是用尺規作圖的方法作一個立方體，使它的體積是已知立方體體積的兩倍，傳說也源自于一項神廟改建工程。如今，位于雅典市中心衛城山丘上的雅典衛城，被認為是古希臘建筑水平的代表。雖然它的一部分建筑在歷史上遭到破壞，但幸存至今的部分，仍然能讓人感受到當年的壯美。

古羅馬人繼承了古希臘人的建筑設計思路，并在其基礎上加以改進，創造出立柱同拱券的組合，讓建筑結構擁有更好的承重能力。位于意大利羅馬市中心的萬神殿，以及分布在西歐各地的劇場和引水渠遺跡，都宣示著這項創新的生命力。然而，隨著羅馬帝國走向衰落，特別是公元476年西羅馬帝國滅亡，一部分古羅馬的建筑知識逐漸散佚甚至失傳。漫長的混亂年月之后，在公元10世紀，歐洲效法昔日羅馬建筑的“羅馬風建筑”逐漸定型。此后，哥特式建筑、文藝復興建筑、巴洛克風格建筑與洛可可風格建筑各領風騷，在磚石建筑這條主線之上加以創新，營造出一脈相承、綿延至今的歐洲式建筑文化。

或許是出于對古希臘科學與理性傳統的珍視，在走出西羅馬滅亡后的“黑暗時代”，重新恢復秩序之后，歐洲人致力于將先進的科研成果與建筑物相結合，以達到更好的使用體驗和藝術效果。

比如說，在哥特式建筑興盛的時代，彩色玻璃被大量引入，成為兼具藝術和實用的裝飾物。12～13世紀修建的巴黎圣母院，作為歐洲早期哥特式建筑的代表作，精致的彩色玻璃“玫瑰窗”不僅代表著當年的建筑師對用光的探索，也因其華美而成為教堂的重要“標簽”。而在巴黎的國立中世紀博物館里，也有很多來自被拆解教堂的玻璃畫，讓人們得以回望當年充滿虔誠氣場的歐洲社會風尚。

巴黎郊外的凡爾賽宮，是摒棄了當年流行的巴洛克風格，回歸古典主義風格的建筑物。它的標志性房間“鏡廳”，則與17世紀法國在光學領域的研究成果密切相關。在那個電燈遠未發明的時代，讓皇家舞會會場兼顧容量和亮度，是一項很難完成的任務。為了滿足法國“太陽王”路易十四心目中的“極致奢華”，法國建筑師朱爾斯·阿杜安·芒薩爾（小芒薩爾）運用當時前沿的光學理論，設計了別出心裁的“鏡廳”。廳內長廊的一側，是17扇朝花園而開的巨大拱形窗門;另一側則是由483塊鏡片鑲嵌而成的17面落地鏡。這些鏡子與拱形窗門一一對應，把窗門外的藍天、景物完全映照出來。同時，廳內3排掛燭上的32座多支燭臺，以及8座可插150支蠟燭的高燭臺所點燃的蠟燭，也經鏡面反射，形成約3000燭光（物理單位）的亮度，把整個大廳映照得金碧輝煌。即使在今天，鏡廳也仍然是凡爾賽宮最為閃耀的瑰寶。

拓荒與探險，木屋做前哨

在中國式建筑、歐洲式建筑和阿拉伯（伊斯蘭）建筑這3大體系之外，世界上還有一些建筑，似乎不屬于它們當中的任何一個。這些建筑中的典型代表，便是看似平淡無奇，卻最為質樸實用，在人們探險、拓荒時提供貼心幫助的木屋。

美國西部片的場景，通常是由若干木屋組成的沙漠小鎮。這些簡陋卻實用，而且易于搭建的房舍，卻是美國歷史上一個重要時期的真實寫照。如果說19世紀的美國拓荒者鐘愛木屋，并將其傳承至今，更多是因為木屋易于搭建而且冬暖夏涼;那么北極圈內的居民選擇木屋，就更多是為了適應極地的嚴酷環境。

在歐亞大陸和北美洲北部，位于北極圈以北的居民點比比皆是，有一些甚至發展為相當規模的城市。極地的嚴苛環境，要求這些城市的建筑必須既能保暖，又可以抵御環境的侵蝕，這使不易導熱又能適應劇烈溫差變化的木材，成為很多早期極地建筑的首選材料。在位于北緯69度，被譽為“北極之門”的挪威特羅姆瑟，擁有100多年歷史的木造建筑比比皆是。地球上最接近北極的城市，北緯77度的挪威朗伊爾城，也擁有大量的木屋。

這些外表看似樸拙的木屋，卻有著最適合極地環境的特質。為了避免人類活動過多影響永久凍土層，人們還會在地上挖洞，在洞中嵌入沒有經過加工的木樁，并將水灌進去，而后再將混凝土支柱連在木樁上。這樣的地基設計，使建筑物的地板與凍土層隔離，不會因為建筑物取暖融化凍土，導致沉降。