淺談西安古建筑屋頂特性

畢雪兒

(西安市曲江第一中學,陜西西安 710061)

淺談西安古建筑屋頂特性

畢雪兒

(西安市曲江第一中學,陜西西安 710061)

中華文明博大精深,源遠流長,尤其建筑史,尤為豐富。在中國的古建筑中,大量運用了現代幾何數學的思想。研究此課題可以使我們對于數學幾何有更加深入的認識,并增強我們在現實生活中對于幾何知識的應用。我將以中國古建筑的房頂設計為例,取真實案例于西安碑林博物館之中,深度剖析我國古代人民在建筑學上的精妙智慧。

房頂 古建筑 幾何數學 斗拱 西安

1 中國古代建筑

中國古代建筑主要以木材為主，因木材的可塑性較強，這種構架制的結構使中國古代建筑大多呈現出構造精巧，結構復雜多變的特征。在經過歷朝歷代的審美變化后，古建筑的構型也會隨之改變，構架制結構的優點也被充分利用[2]。西安現存的主建筑主要以唐、漢代為主，因受到當時禮教的深刻影響，唐、漢代建筑深刻地體現了天人合一的思想，這不僅是古代人民對自然的一種順應，同時也是對自然的一種巧妙利用。

2 注古建筑的意義

世世代代人民的歷史文物建筑飽含著過去歲月傳下來的信息，是人民千百年傳統的活的見證 。大家都喜歡沉浸在有歷史感的氛圍之中，感覺到時間的跨度，感覺到和古人的溝通。古建筑是一種文化精神的載體。一旦損毀，文物本體及其承載的歷史文化信息都將不復存在。在飛速發展的當代，許多文化很容易在強勢文化的壓抑和排斥下失去自己的傳統和信仰，關注古建筑，就是關注我們的信仰。

3 觀特性

于西安碑林博物館中，發現大部分古建筑的屋頂都類似三棱柱，類三棱柱體的兩個側面為曲面，且呈略向下彎的弧線，屋脊高、坡度陡。坡度的呈現是由于圓柱狀的椽被截為多段，將瓦細密緊湊地附于其上，這利用了微元法。

4 性簡析

由于建筑材料木材的長度有限，它向外出挑，可把最外層的屋檐挑出一定距離，審美上可以使出檐更加深遠、壯觀，也呈現了恢弘繁盛的氣概[1]。

圖片取自《中國木結構古建筑抗震性能的研究》

照片攝于西安碑林博物館

從實際角度出發考慮坡度在審美之外的作用，其一，古代人民沒有如今的房頂排水系統，為了有利于迅速地排瀉雨水；其二，曲面相對于斜面能起到一定的緩沖作用，雨點落下時接觸面積較平面更大，設雨點落下時的沖擊力相同，相對于斜面，曲面使木頭單位面積上的壓強減少，從而使房屋架構能夠承擔更大的沖擊力；其三，為了使雨水做曲線運動，物體做曲線運動時，速度方向為曲線的切線方向，當雨水滑落至房檐時，由于房檐向外出挑，雨水獲得了水平方向的初速度，開始做類平拋運動，這一定程度上增加了屋頂的遮擋面積，更重要的是防止了門窗的受潮，這是對木質材料易受潮的缺陷的補充，使其更為耐用。

5 頂內部構型

于建筑的內部可觀察到斗拱。斗拱整體來看十分具有審美價值，似花朵一般展開，古代人稱它的單位為“朵”，[1]這體現了中國古代人民重意象的藝術理念。斗拱的得名是因其由斗和拱共同構成，在立柱和橫梁交接處，從柱頂上加的一層層探出成弓形的“拱”可以看做一個直四棱柱，“拱”與“拱”之間墊的方形木塊叫“斗”，“斗”省略掉嵌入的部分可以近似的看作一個正四棱柱，他們一層一層交織組成了斗拱這個整體。由于承重的需要，從上向下“斗”與“拱”的體積逐漸減小，形成了上繁下疏的外在構型。

6 淺析斗拱特性

“斗”與“拱”都為棱柱，因其相對于圓柱而言，它的磨合性更強，若建筑發生晃動，棱柱之間作用的為靜摩擦力，而圓柱之間則作用的為滾動摩擦力，其他條件相同的情況下，靜摩擦力更大。

斗拱位于柱與梁之間，屋頂的重量要通過斗拱傳給柱子，再由柱傳到臺基，“斗”作為正四棱柱，更多的起到一個承上啟下的作用，它主要負責將力進行傳遞；“拱”作為直四棱柱則更多地起到支撐的作用，從上到下逐漸變短是為了逐層傳遞力。

斗拱為構架制結構，當地震等自然災害來襲時，斗拱會發生一定程度的晃動，這種晃動可以將地震的能量逐漸消耗掉，防止屋體遭到破壞；這種晃動是有限度的，因為斗拱是一種榫卯結合的常見部分，榫卯的特點之一是結而不合，不合而不散。2013年4月21日蘆山縣龍門鄉古城村山腳下，震中一座百年老宅巍然屹立，這座老宅便采用了斗拱的結構。由相關資料可知，斗拱可以增強橫梁的承重能力，具體表現為兩方面：當所加載荷一定時，增加斗拱結構可以使梁的臨界尺寸更小，從而使建筑結構更精巧；當梁的尺寸一定時，斗拱可以增大梁所能承受的最大載荷。這本質上是因為斗拱兩爪與梁接觸使得單位載荷引起的彎矩的最大值變小，從而梁的截面處最大應力值減小，增大了梁的承重能力[3]。

7 對斗拱應用的設想

現今出現了大量堅固的建筑材料，斗拱這種木質結構的用武之處少之又少，然而對于景區公園，斗拱可以利用于觀賞亭的制作，因斗拱本身即有裝飾的作用，且觀賞亭并不需要居民樓一般的堅固，這種榫卯結構的靈活可動性反而使其與石料水泥相比更為耐用。在實際應用中，為了有效地充分利用材料，可以對下層梁、斗拱以及立柱選擇強度較大的材料，而上層可以適當選擇強度較小的材料。

[1]潘古西.《中國建筑史》.中國建筑工業出版社.

[2]趙鴻鐵,張風亮,薛建陽,謝啟芳,張錫成,馬輝.《古建筑木結構的結構性能研究綜述》.

[3]李桂容,郭恩棟,朱敏.《中國古建筑抗震性能分析》.