巧奪天工的建筑力學

吳旭陽

早在原始社會，人類就出現了穴居、巢居等基本的居住方式，人們通過選擇天然的山洞或者用樹木的枝葉搭建活動的巢穴，這便是最早的一體化傳導建筑力學的模型。

隨著建筑材料、結構的進一步發展，國外漸漸出現了以石材為主的梁柱結構，中國則多以木構為主，最為著名的要數我國發明的斗拱體系，甚為精妙;除此以外，古希臘、古羅馬還衍生出了多種特有的結構，包括桁架體系、拱券體系等，創造了圓屋頂、拱廊、飛扶壁等多種力學傳導模式。

到了近現代，隨著鋼筋混凝土材料的興起，新的建筑力學結構如“鋼筋-混凝土結構”、膜結構等應運而生，誕生了以摩天大樓為代表性建筑的新型建筑形式;此外，一些建筑師還嘗試以模塊化的結構單元，通過拼接、組裝等方式聚合重復，從而形成新型的一體化建筑結構體系。親愛的讀者朋友，本文就將為您揭示一二，帶您領略建筑力學的精妙之美。

自然之力，

原始的小屋雛形

“原始小屋”，是對原始社會人類居所的統稱，代表最早的人類居住形式。早在舊石器時代，人類沒有掌握先進的建造技術，因此山洞是他們最合適的選擇，為了防范野獸或者飄雨，人類用樹枝等物品在洞口堆積進行遮擋，這便是最早的“穴居”形式了。而在南方濕熱地區，為了躲避蚊蟲、濕氣，誕生了與“穴居”對應的結構方式——巢居，它泛指一切棲息在樹上的居住模式，我國很多古書中均有對穴居、巢居傳說的記載，如《易·系辭》中所述“上古穴居而野處”;《韓非子·五蠹》所載“上古之世，人民少而禽獸眾，人民不勝禽獸蟲蛇，有圣人作，構木為巢，以避群害”等。

不論是穴居還是巢居，其結構形式都較為簡單，是人類憑借自己的經驗和已有的技術，象形地復制自然界中存在的住所形式，其結構和功能并沒有明確的界限。隨著生產力的進一步提高，人類逐漸擁有了自我建造的能力，也慢慢學會了自己創造“半穴”式的處所。這些早期人類居住方式的雛形，也為之后的梁柱等建筑結構發展指明了方向。

?英國巨石陣

梁柱體系：

巧用力的傳導與支撐

在原始社會的房屋中，早就埋下了梁柱體系的影子，簡而言之，就是力作用于水平橫向梁，梁將力傳遞給豎向傳遞構件“柱”，再由“柱”傳導給大地。在整個力的傳導過程中，梁柱的交接點還會承受多方向的“牽引力”，這些促使我國古代建筑師創造性地發明了“斗拱”體系。

最早的“梁柱體系”結構可以追溯到新石器時代的英國埃夫伯里巨石遺址，即聞名世界的“巨石陣”，它建于公元前2300年左右。該巨石陣的基本結構即由兩塊巨大的方體巖石垂直于地面，再在其上支撐起相同體量的橫向巖石，猶如一道“石門”。到了古希臘、古羅馬時期，梁柱體系更有了長足的發展，古希臘形成了嚴謹的三套基本柱式，即多立克柱式、愛奧尼柱式和科林斯柱式，這三套柱式系統從多方面對柱子進行了限定，已經遠遠超出了某種特定類型的柱子的范疇，而是包含了整個柱式的結構系統。羅馬人進一步增加了塔司干和混合式柱式，形成了五大經典柱式體系。這些柱式本身分為三部分，即頂部、柱體、基座，其中頂部和基座是主要受力構件，柱體是傳導力的構件。需要補充的是，古希臘、古羅馬的柱式系統已經不僅僅作為結構存在，更是一種范式，具有濃厚的象征意義。多立克柱式象征男性威武的身軀，愛奧尼柱式象征女性婀娜的體態。親愛的讀者，您從柱式外觀上是否隱約感覺到了呢？

羅馬斗獸場，作為柱式系統集大成的杰作，氣勢恢宏。它外立面的圍墻共分四層，每層均高10米以上，前三層均有柱式裝飾，依次為多立克柱式、愛奧尼柱式、科林斯柱式，就像是一排排“士兵”“貴婦”“官爵”，不禁使人腦海中重現當時斗獸場的恢宏與壯觀，耳畔重新響起震人心魄的吶喊！

愛奧尼柱式 ? 科林斯柱式 ??多立克柱式

斗拱體系

中國建筑師的智慧結晶

與西方建筑多用石材不同，中國古代建筑以木材為主，形成了適應各種氣候條件的木結構系統，包括抬梁、穿斗和井干三種不同結構。其中，抬梁式結構適用范圍最廣，這種木構架沿著房屋的進深方向在石礎上立柱，柱上架梁，再在梁上重疊數層相對較細的梁和其他木構件，最終形成完整的木結構體系。這些木結構就如同魚骨一樣，作為房屋的主體受力體系，屋頂、墻壁等其他構件以此為基礎，與之產生關系，最終一起形成房屋的基本形制。

在構架的節點上，中國古代建筑界最著名的發明—斗拱應運而生。所謂斗拱，即在方形座斗上用若干方形小斗與若干弓形的栱層疊裝配而成，用于支撐上層梁和外檐的重量，出檐的深度越大，斗拱的層數越多。需要補充的是，后來斗拱漸漸成為不同階層的代表，作為范式而使用，不同朝代由于禮制等級的不同，也延伸出萬千的斗拱樣式。

拱券和飛扶壁：

磚石建筑的最愛

拱券，作為建筑力學大家庭的重要一員，因為其純壓縮的受力特性，經常用于磚石類建筑。建筑大師路易斯·康就曾戲言：“磚對我說，我要成為拱券！”

在拱形結構中，由于磚石呈弧形且相互緊靠，因此只需傳導相鄰磚石帶來的擠壓力，直至傳遞到豎向柱構件，最終傳導給大地即可。由于拱券受力相對簡單，深得磚、石等建筑材料的喜愛。拱券的衍生結構體系有很多，例如拱頂、拱廊、圓屋頂、飛扶壁等等。拱頂最簡單的形式是通過拉伸或者旋轉平面上半圓形的拱而形成，前者形成具有一定高度的筒形拱頂，后者則形成氣勢磅礴的圓屋頂。

圓屋頂又稱穹頂，提起它，筆者腦海中首先浮現的便是萬神廟。這座建筑是古羅馬時期的宗教建筑，后改建成一座教堂，代表了古羅馬穹頂藝術的精粹。萬神廟平面為圓形，大廳內部無柱，頂部中央開了一個直徑8.9米的圓洞，任天光自由傾瀉而下。試想，在萬神殿內抬頭仰望，壁龕內眾神背后的故事，靜謐而又空曠的天光，誰人不會感嘆人類的渺小，誰人不會被此景震撼？

斗拱組成示意圖

隨著時間的推移，建筑師們逐漸發現可沿著拱頂的受力方向來排布肋條，于是，交叉拱頂也誕生了。它由兩個直徑一樣的半圓形拱頂交叉而成，隨之衍生出一系列極富表現力的拱頂，如尖拱、帆拱等等，在哥特式建筑中尤為常見。

此外，有掰彎過吸管的同學一定會有這樣的體驗，當吸管被掰彎時會產生一股為了復原而產生的向兩側的推力，拱券也不例外。為了抵抗此推力，哥特式建筑采用了在外部增加飛扶壁的方式，同時也大大增加了建筑的表現力，甚為壯觀。

現代結構：

鋼筋與混凝土的搭配

18世紀下半葉，隨著價格低廉、結構穩固的鑄鐵工藝逐漸發展，現代新型鋼結構呼之欲出。1851年，倫敦世界博覽會的水晶宮以純鐵結構震驚了世界，拉開了現代結構的序幕。之后，硅酸鹽水泥的出現，使得古羅馬發明的混凝土獲得新的生命力。

人類通過實驗發現，混凝土和鋼筋的膨脹系數相似，內部不會產生擠壓和破壞，且黏結力很好。同時，鋼筋能夠補充混凝土抗拉、抗彎性能較弱的問題;混凝土又能在鋼筋表面形成一層鈍化保護膜，仿佛是鋼筋的“保護外衣”。由此，“鋼筋-混凝土結構”一舉成為迄今為止人類發明的最佳建筑結構材料。

最初的鋼筋混凝土結構，往往是相互垂直連接的正交結構體系。但是隨著建筑師對材料性質認識的加深，異形鋼筋混凝土結構的建筑如雨后春筍般蓬勃發展起來。它們每一個都是上天賜予的禮物，與眾不同。其中最具代表性的包括法國柯布西耶設計的朗香教堂的自由墻面和屋頂、上海龍美術館西岸館的傘形混凝土結構、羅馬小體育宮的Y形混凝土支撐以及印度昌迪加爾法院的翻卷混凝土屋頂，等等。

 斗拱體系展示（攝影/馬之恒）

依托科技發展的

新型建筑體系

隨著科學技術的進一步發展，解決建筑中力的傳導問題也成為建筑師們大膽創新的領域。由此，誕生了很多突破性的新型建筑體系。如香港匯豐銀行總部的懸架結構，從外部看，匯豐銀行立面猶如一些串聯起來的衣架，這些正是支撐大樓的結構骨架，換言之，樓板連接著骨架，墻體、欄桿連接著樓板，它們一層一層以不同方式“依附”在骨架之上，使得內部空間十分自由。

?米蘭大教堂的飛扶壁景觀

此外，由于不同的結構擁有不同的力的傳導方式，使得適應該結構的建筑造型各不相同。其中最為特殊且最富表現力的結構，我認為是懸索結構。卡拉特拉瓦的密爾沃基美術館的主體結構是兩個桅桿，由桅桿伸出無數條懸索拉住主體的建筑部分，猶如一只展開雙翅的雄鷹，隨時準備一飛沖天。這種設計為建筑賦予詩意般的結構美和運動感。

膜結構沒有懸索結構的動感，但是卻多了一份柔軟，以上海世博會日本館為例。由于支撐結構骨架均被外皮膜結構遮擋，因此給人柔和、安靜的感受。此外，由于膜結構本身就是外表皮，通過植入光電板等科技設備，使得表皮能發電、呼吸。而有的膜結構建筑表面甚至能移動，就像一只安靜的蠶蛹，能不斷根據外部環境的變化改變自身的狀態。

??羅馬小體育宮

隨著科技的飛速發展，一系列新型建筑結構勢必應運而生。我相信在不久的將來，建筑一定會圍繞“力學”產生更多的突破和驚喜，涌現出更多別具一格的建筑形態，成為每個人生活中不可或缺的一抹亮色。