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构件的连接(一) ——榫卯连接与斗栱 精选

已有 4163 次阅读 2017-2-11 09:01 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:结构 构件 连接 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。

1 浙江余姚河姆渡文化出土的榫卯连接类型

2 河姆渡文化榫卯连接的实物

11973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50007000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。




3  两根杆对接的榫卯结构





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。


5 粽角榫

6 三根圆柱相交的情形

7梁柱的交接

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。

8

9 板的榫连接

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111213则是三座著名的石材建筑,都是用榫卯连接在一起的。


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。


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。

14 四川都江堰市出土

15 东汉山东苍山县前村出土

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141517)。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。



17  斗栱连接示意图

18 五台山佛光寺大殿的斗拱


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。



20 挽具后面的系杆

21 两匹马的系杆

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







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