中國古建筑中的力學應用之美

【摘 要】建筑是人類為適應生存、發展和追求的需要，將結構力學糅合審美價值而創造出來的勞動成果，是人類智慧在生產建設領域的結晶。拱橋是通過一個水平推力把原本由荷載產生的彎矩應力變成壓應力的科學創造，滿載流動之美。斗拱是我國木構架建筑特有的結構力學構件，設計嚴謹、形式靈活，紛呈多姿之美。穹頂是運用結構力學基本原理，以周圍墻體為支點的一種古代建筑頂層結構，多有精美雕刻，賦含神秘之美。研究古建筑并加以運用，能大大促進力學與美學的完美結合；以便在科學技術高度發展的今天，讓中國古建筑的力學應用之美得以傳承，創造人類智慧的最新精品建筑工程。

【關鍵詞】古建筑；力學；拱形；穹頂；美

自古以來，建筑都是人類為更好地適應生存、促進發展和滿足追求美好的需要，將固體力學、結構力學糅合審美價值而創造出來的基本的、重要的、高級的物質形態，是人類勞動在生產建設領域的智慧結晶。建筑一經成形使用，就遠遠超越了它本身，不再單純是一個建筑，而是具有實物存在性、自然獨立性、精神支撐性、文化傳承性和社會象征性的一種標識人類社會發展軌跡的特殊載體了。

中國古建筑造型精美，風格別致，科學地運用固體力學、結構力學基本原理，深度糅合美學元素，深度詮釋了力與美的完美結合。

拱橋的流動之美

拱形是自然界常見的一種結構，人類建筑利用拱形，正是受自然界的山洞、樹洞等中空的實物啟發，結合建筑實際由初步摸索、嘗試，進而逐漸走向成熟的。

拱橋的力學原理，是通過一個水平推力把原本由荷載產生的彎矩應力變成壓應力或者大部分轉化為壓應力。拱區別于梁的最大之處就是存在水平推力，如果這個水平推力和支座反彈力，以及作用于其上的荷載合力作用點和方向剛好通過拱的軸線，這樣的拱形就是合理的，并且是只受壓應力的。具體說，拱橋結構是把垂直的縱向力，通過橋身弧結構內力轉化為橫向力，最后作用到兩邊的基體——基座或支座，既承受垂直壓力、又承受水平推力，所以建造拱橋要求兩邊的基座穩固堅實。

中國古代很多橋梁結構都采用拱形，不僅因為拱的弧形比直粱更穩定，同時也考慮到實用和美觀。其中最著名的趙州橋，歷經一千多年風雨沖刷和洪水地震考驗，至今仍發揮著重要作用。

拱形結構有許多優點，其圓弧幾何形狀提高了抵抗外荷載產生的彎矩，能覆蓋較大空間，外形也很美觀。但是，由于拱形荷載的變異性，拱截面上有時不可避免的存在超負荷彎矩，這就制約了它的跨度進一步增加，因此就出現了多拱接續的大型古建筑。

斗拱的多姿之美

斗拱是中國傳統磚木結構建筑中運用結構力學的獨有構件，常用于柱頂、額枋、屋檐或構架間。既是解決屋頂出檐的重要手段，又是柱梁之間的華麗飾物，大大豐富了中國古典建筑的樣式風格。

作為古建筑中的特色構件之一，斗拱科學運用了結構力學的基本原理，是我國木構架建筑特有的重要建筑形式。斗拱由方形的斗、升和矩形的栱、斜的昂組成；或是由若干弧形的栱件，相互垂直拼接、卯合疊加而成。斗拱最初孤立置于柱上或挑梁外端，起著傳遞梁的荷載于柱身和支承屋檐重量以增加出檐幅度的作用。其優勢在于：第一，在結構上出挑承重，將屋頂的大面積載荷分散攤開，均勻平推；第二，作為建筑屋頂外溢墻體的過渡，增加屋檐寬度、延長滴水距離、擴容建筑利用面積；第三，結構緊實堅固，安穩程度可靠，抗震動能力強。第四，豐富檐口造型、增添裝飾韻味，具有別樣的美感效果，是封建等級制度的象征和重要的建筑風格衡量標準。

除了增加屋檐寬度、減小梁枋跨度和梁柱相接的剪力作用之外，斗拱的多姿發展更多是由于美學的驅動。斗拱置于梁或闌額與柱交接處承托梁枋，其形狀宛如雙翼附于柱頭兩側，新穎別致、美不勝收。與柱頭采用圓形結構不同的是，斗拱是不規則的角與圓的拼接、揉合，不僅更好地實現了平衡建筑結構，支撐承重的目標，而且具有堅實、美觀、和諧的實用與審美效果，實為中國古代建筑錦上添花的高超技巧和中國智慧的充分體現。

少林寺的初祖庵，同時運用了柱頭斗拱、補間斗拱、轉角斗拱，多重斗拱的連用顯示了其本身的維美精妙與結構力學的完美結合，充分體現了斗拱的結構力學之美和幻化多姿之美。

穹頂的神秘之美

中國古人信仰“天圓地方”，人是自然界的一部分。聰明勤勞的他們在古建筑中就體現了這一點，穹頂就是最好的例子。

穹頂輪廓如球冠如蒼穹，是運用固體力學、結構力學基本原理，以周圍墻體或支柱為基本支點的一種古代建筑頂層簡體結構，既增加了穹頂內部空間，也提

高了抗彎剪能力，使建筑物更加堅固。這種結構的力學原理已經被現代高層建筑所采納，并被認為是高層建筑抗震性能最好的一種結構。同時，穹頂上有精美雕

刻，既體現宗教的神圣又具有美觀的效果。

從力學角度看，穹頂的拱殼因其支座水平推力對每一截面產生負彎矩，減少了每一截面總的彎矩。將彎矩轉化為軸壓力，穹頂結構跨度可大大增加。穹頂或球冠結構可將彎矩減少，因為它是韌性結構，體形已先確定，而載荷隨時可變，尤其是活載荷。拱截面還必須能承受一定數量的彎矩、剪力，才能正常發揮其承重功能。因此，對穹頂或拱形來說，截面上沒有彎矩，只有軸力才是設計者的最終追求目標。但由于拱形的特點，這個目標不可能完全達到。

在穹頂建筑結構中，最危險的屬穹頂彎矩，因為它跟一對力偶矩等效，即拉、壓軸力組成的力偶矩等效。因彎矩引起的內力在截面中分布不均勻，靠近中層的材料不能充分發揮其力學性能。因此在利用穹頂結構搞建筑，建筑結構的任一截面必須能承受相應的剪力、彎矩、拉力和壓力才能正常承重。這說明建筑結構發展的內在規律離不開建筑中最本質的東西——符合建筑力學基本原理，主要是重力學、結構力學、固體力學原理。

中國古建筑的許多頂層設計，科學運用力學基本原理，采用穹頂結構形式，架構穩固、雕飾精美，創造出許多不朽的建筑精品，令人身居宇內、心飛天外，賦含神秘之美。

小 結

以古知今，建筑結構形式的發展雖然側重面不盡相同，但都遵循同一規律和力學主線——將彎矩轉化為軸力，分散重力，實用美觀，安全可靠，這一主線貫穿了整個人類建筑結構形式演變發展史。在力學建立以前，人類下意識地自覺運用了這條力學規律；經過漫長的建筑實踐經驗總結，人類不僅熟練地掌握了它，而且深刻認識到建筑結構本身承受著外荷載產生的壓力、支座反彈力，承受進而產生的水平推力和空間支撐力，同時要具備抗震動抗沖擊的穩固性和實用性。

從古建筑造型和實用性能上，我們充分認識到了中國智慧在建筑中的威力，認識到了建筑中的整體、和諧、可靠、持久的重要性。研究古建筑并自覺地加以運用，就能大大促進力學原理與美學的完美結合，以便在科學技術高度發展的今天，創造出更為漂亮精巧、壯觀氣派的建筑物來。使建筑力學、固體力學、結構力學與美學追求完美融合，讓中國古建筑中的力學應用之美得以傳承創新，打造人類智慧的最新精品建筑工程。

參考文獻：

[1] 慎鐵剛 《中國古建筑的力與美探析》（J）《力學與實踐》1996年 第3期；

[2] 樓慶西 《中國古建筑二十講》（M）三聯書店 2001年9月 第1版；

作者簡介：

王登月，1998年12月22日生，鄭州大學物理工程學院2016級本科生，鄭州大學國旗護衛隊員，優秀大學生軍訓教官。愛鉆研、愛思考、愛鍛煉；博聞強記，敏而好學，專業知識基礎牢固，文理知識結構全面；關注國內外時政，關注經濟發展戰略，關注物理學科前沿，學以致用，志在強國。

（作者單位：鄭州大學物理工程學院）