西方拱券結構對建筑設計影響淺析

張國中 谷 巖

（東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150040）

近現代建筑風格形成逐漸學習西方古典建筑風格特征，以及越來越重視簡化裝飾造型和穩定整體結構處理手法。伴隨建筑結構的變革，由于建筑裝飾抽象形式藝術思潮的廣泛影響，運用形式簡明的線條與幾何形表達現代主義建筑樣式，建筑逐漸脫離以追求繁復為榮的時期。唯有將設計的出發點置于天地間，融入于自然中，用心感知萬物之間如何聯系，引用《易經》中提及的“立天道曰陰陽，立地道曰柔剛，立人道曰仁義”，天地人之間相輔相成、相互聯系，運用到建筑與人和自然之上也完全適用。

一、西方拱券結構形式

公元前四世紀兩河流域是拱券結構形成的初始地，拱券結構（又稱：拱、券、券洞、法圈與法券），其由各個矩形建筑材料之間的側壓力構建而成，運用夸空結構形成相對穩固的承重體系。美索不達米亞地區兩河流域周邊的人們最早運用拱券結構的民族，不過建筑材料運用燒磚居多；古希臘時期兩河流域的拱券技術相對成熟，比如巴比倫城伊什塔爾城門；到后來拱券發展到古羅馬時期達到頂峰，造型呈現出半圓形（古羅馬建筑特征）；到哥特式建筑風格形成時期，拱券的造型樣式則成為尖形樣式。

1.古愛琴海時期

愛琴海文明的地理核心位置為克里特島與希臘地區的邁錫尼[1]，其也稱“克里特-邁錫尼文明”，是古代西方文明的發軔地。通過對克里特地區建筑遺址勘探，已得知當時建造的克諾索斯宮運用了漏斗形式的柱頭，其有助于減少建筑中梁對柱式的壓強；獅子門位于邁錫尼建筑中的衛城城堡，其作為城堡的大門，門楣之上運用三角造型疊澀券，為減小門楣承重之用。

2.古希臘時期

古希臘人由于在思想與技術上的保守觀念導致在很長時間里建筑建造唯一手段就是平梁結構[1]，在很少的特定區域才會真正放心采用真正的拱券結構。如果要運用拱券結構，本階段的古希臘人更傾向運用疊澀券結構（又稱假拱，其真正意義以上不是拱券結構），疊澀所表現的砌筑方式為逐層向外堆疊出挑或收進，疊澀券利用各層建筑材料向內堆疊收分而成，在中線處合攏便成了拱券。疊澀券結構內部具有壓應力與拉應力（在正常情況下的真拱只具有壓應力），所以為了避免坍塌，疊澀券會在兩側建設及其穩固的支撐結構，整體造型明顯厚重。直到大約公元前2世紀的希臘化時代晚期，希臘人建造的建筑才正式應用拱券與拱頂結構。

3.古羅馬時期

古羅馬人通過學習疊澀券的結構形式，進而正式開發出了真正的拱券結構，古羅馬建筑之中的顯著特點就是半圓形拱券，由于在古希臘時期建筑梁柱因自身尺寸限制與質量的約束，建筑造型的跨度很受影響，導致古希臘建筑建造出的室內空間相對較小。古羅馬人將柱式元素與拱券元素組合成一套整體框架結構體系，將券腳與柱式檐部上方進行連接，就此創造出了券柱式結構，券柱式結構進行橫向組合，又延伸出了連續拱券結構，一排整齊的柱式托起連續拱券。就此拱券與柱式的結合解決了古希臘時期建筑梁柱與建筑空間之間的矛盾[2]。

羅馬人將拱券技術發揚光大，在制作材料上運用天然火山灰來制作活性混合材料（天然或人工性質的礦物質材料），骨料（混凝土及砂漿中起骨架和填充作用的粒狀材料）則添加沙子、碎石子與斷磚等。羅馬人在建筑的不同位置運用不同強度與容重的建筑材料，解決了在施工過程中拱券的塑形困難等問題，大大提升了建筑質量與施工速度。

4.歐洲中世紀時期

羅馬帝國于公元395年分裂成東、西羅馬兩部分，東羅馬帝國延續古希臘建筑風格，則稱東羅馬帝國建筑風格為拜占庭式建筑風格，區別于西部的哥特式建筑風格。

（1）拜占庭式建筑

拜占庭式建筑拱券由于吸取了東方建筑的特征，對于拱券結構形式方面產生新樣式——帆拱，帆拱和穹頂相結合，通過運用四個拱券進行圍合，在圍合的方形空間之上矗立穹頂。拱券與穹頂連接處呈現圓環狀，在圓環之下與拱券之間共空有四個形似三角形的空洞，通過精巧技藝將空洞填滿，以保持拱券之上穹頂的穩定性。

（2）哥特式建筑

哥特式建筑達到的藝術效果要歸功于新型拱券形式——尖拱。通過建筑建造技術的進步發展出現了尖形拱，尖拱屬于一種由兩條相異圓心的弧線交織之后形成的新型拱券，兩條弧線的交織點也就是尖拱左上方，形如其名，呈現出向上的尖角形制。哥特式建筑中的拱肋是尖拱結構之中的相交叉受力部件，其主要做支撐整個拱券重量。并且，尖形拱在結構整體受力情況下更加合理，其可以對重量做到有效傳遞。

哥特式建筑中另一風格特點為——飛扶壁，又稱為飛券。飛扶壁是起到支撐建筑立面的結構，其圍繞建筑本身與建筑側壁相連接，其可以將建筑物上部的重量從建筑物本身上部轉換到建筑物之外的地方，對建筑物內的各式廊柱起到了分擔壓力的作用。并且運用飛扶壁的情況下能更好地將建筑中豎直的柱式直徑降低，使得建筑內空間增加，有益于開設更大型的門窗，室內采光效果更好。

二、拱券結構力學分析

拱券結構較傳統梁柱結構用料少、分量輕、跨度大，當拱券自身跨度越大時，其越發節省建造成本，但是對于拱券之下的受力支座的抗壓強度就要有更高的要求，其必須要承受拱券結構帶來的強大水平推力。對于拱的定義并不是看其外形而定奪的，更需要注重的是其產生的側推力，拱券整體的力量是斜向傳遞給支座的，具有豎直與水平兩個分力。

1.水平推力由拉桿直接承擔

能夠確保在任何條件下保持穩定，支撐結構頂部并沒有水平推力H作用，所以本支撐結構單單承受豎向推力，因此作為最經濟、省料的支撐結構。

拉桿拱：拉桿拱又分為室內拉桿拱與地下拉桿拱（圖1），如果室內應用帶拉桿的拱券結構，其主要考慮的問題則為預應力拉桿較粗，就導致拉桿拱券結構只適用于舉架較高的大型空間，比如：車間、倉庫、食堂與禮堂等。

圖1 拉桿結構

2.推力由水平結構承擔

本結構意為在拱券結構內不設拉桿，通過拱腳標高平面之內的現澆筑鋼筋混凝土邊跨屋蓋、圈梁與挑檐板進行力的承擔作用，使得拱券拱腳之下的柱、墻等豎向結構并不承擔上部帶來的水平推力（圖2）。由于內部不設拉桿結構，本結構將獲取更大的建筑室內使用空間，但是同時帶來的缺點是比拉桿結構造價相對較高。

圖2 水平推力結構

3.水平推力由豎向結構承擔

由于水平推力H與豎向q的合力表現為斜向力，拱券拱腳與拱軸線進行相切，因此要求豎向結構必須擁有更高強度的剛性與控制極小的形變。盡量保持豎向結構與地基的均衡受力，控制豎向結構承擔最大與最小應力差在可控范圍內，不可相差過于懸殊，并確保拱券拱腳處避免水平位移情況，保證拱券內盡量做到無過多彎矩變化。

（1）斜柱墩：通常應用在拱券拱腳推力大與拱券跨度較大時，采取斜柱墩結構能夠直接有效進行受力傳導，并且造價相對較低，具有精干樣式（圖3）。

圖3 斜柱墩

（2）邊跨結構：如拱券結構的跨度較大時，并在周邊具有建筑空間時，通常采用邊跨結構將拱券拱腳的推力進行均勻承擔。對于豎向邊跨結構設計成單層或者多層的墻體，或采用單層、多層、單跨貨多跨鋼架結構，并且保持具有足夠大側向剛性的豎向結構，盡可能避免側移（圖4）。

圖4 邊跨結構

（3）落地拱：本結構適用于地質結構較好地區，又或是拱券拱腳水平推力較小時，此時水平推力方可通過基礎直接傳導至地基上，為了更加穩固的結構，便可將下部基礎設置成傾斜狀（圖5）。

圖5 落地拱

3.對國內建筑裝飾的影響

通過精巧的拱券結構處理工藝將建筑功能與裝飾藝術相融合，使得在功能與視覺上均達到最佳效果。中西方對拱券結構的應用具有不同的理解，在建筑本身外部或內部結構造型均獨具特色。拱券結構能夠呈現出其獨特的韻律感，通過對具體尺寸與形制進行拆分重組，就得以令人“浮想聯翩”，運用不同的表現手法達到“形斷意連”之意。拱券結構通過時代發展，其自身的進步已映入眼簾，從伊始優化建筑結構之用，到后世的藝術美感，拱券在建筑“橫平豎直”之際打破陳規，使得大眾生活之中增添歡快韻律。

用現代建筑舉例，位于浙江省杭州市的中國美術學院（良渚校區）的新建體育館（圖6），校區整體設計有幸邀請普利茲克獎首位中國評委張永和擔任設計，設計語言結合良渚周邊地理人文環境，并且將“水”作為設計元素。國美良渚校區內體育館屋面造型運用拱券結構作為設計母題，在造型與尺寸上靈活多變，無論是在室外或是室內這座建筑油然而生帶給人是無限的聯想。整排拱券由于跨度尺寸不同，設置為橫向9個大小相間的半圓形鋼筋混凝土形制拱殼，尺寸較大的直徑為7.8m，尺寸較小的為5.0m[3]，帶來的特點是拱頂的高低不同，同時在相應拱券下設窗，是建筑室內自然采光主要來源。建筑室內與室外既視感相同，建筑屋面整體效果形似海浪，也似波紋，又似祥云，更似連綿不絕的山巒，令建筑與自然和人均形成呼應，完美詮釋了何為“結合”。在如此生動的屋面下是規矩的直線型設計，建筑開窗整齊均勻，猶如挺拔矗立的樹干，在活潑中體現穩健，韻律之中不失規律，展現了國人崇尚的含蓄美感。

圖6 良渚體育館南立面圖

結語

如今建筑在空間與造型中相互呼應、融合，努力營造出舒適感，完美滿足功能性的美觀裝飾設計是建造中極度追求的目標，文化融合是現今世界的總體趨勢，對于傳統文化與未來文化而言，大眾接受程度也在逐漸攀升，循規蹈矩的情況顯然已退出歷史舞臺。對于外來文化盲目應用是意義不大的，如想“馴服”新鮮事物必須將其了如指掌，通過拆分、再造，將地域范疇與時間范疇不同的事物進行融合，使異同文化之間進行“碰撞”，完美展現“包容性”。