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中国古建筑木结构怎么建造的

作者: 更新时间:2020/11/16 17:43:23

本文将以中国宋代和清代木结构建筑为主,参考《营造法式》及《清式营造则例》,简要介绍中国古代木结构建筑的建造方法,不过现代社会的古建筑,很多都是简化版,除了某些著名景点的标志性建筑。


1.地基和基础的做法 

中国宋代李诫编写的《营造法式》继承了《周礼·考工记》中“匠人建国,水地以垂”的概念,统一规定了阶基定平和础石顶面水平的取法,并提供了精准的水准仪和定平直尺的作法及图样。 


营造法式对正式建筑的建造有一套完整严格的要求。造屋要经过“取正”、“定平”、“立基”和“筑基”。“取正”就是使房屋面朝正南,方法是参照中午的太阳或夜晚的北极星,也可以用罗盘、指南针等。先定出正南正北方向,再做正交取出东西方向。 “定平”就是要保证在台基和础石的处理过程中台基的顶面水平和础石顶面的水平。“凡定柱础取平,须更用直尺较之”。直尺长一丈八尺,广四寸,厚两寸五分,当心上立表高四尺,与立表当心自上至下施墨线一道,垂绳坠下,令绳对墨线心则其下地面自平。“曲尺”就是用“勾三股四弦五”确定的直角曲尺。   “立基”就是在平地以上建造台基。《营造法式》中规定“立基之制,基高与材五倍,如东西广者又加五分至十分”。说明台基也可以按照材分制确定,高为五材。如果房屋纵向比较长,可以适当的提高台基高度,用来增加台基的刚度。角柱、角石、压阑石、踏道等沿边角布置的石材,起到了嵌角、镶边的作用,为台基提供了良好的侧向约束,既保证了台基的整体性,又保护边角不易受损。 


“筑基”可以理解为地基的建造。《营造法式》中规定“凡开基址,须相视地脉虚实。其深不过一丈,浅止于五尺或四尺,并用碎砖瓦及石札等。每土三分内填碎砖瓦等一分。”这是简易的场地勘测和地基的处理方法。明确的提出了要勘测场地土层是否匀实,是否有暗沟河道等不利于建造的因素,建议适当的开挖地表土层,并用人工复合土夯实回填。这与我们今天处理场地土的湿陷性、橡皮土场地的方法相同。古建筑采用木结构,一般自重较轻,不需要做太深的基础。“筑基之制,每方一尺用土两担,隔层用碎砖瓦及札石等亦两担。每次布土厚五寸,先打六杵,次打四杵,次打两杵。以上并各打平土头,然后碎用杵碾蹑令平。再攒杵扇扑重细碾蹑。每布土五寸,筑实厚三寸;每布碎砖瓦及札石等,厚三寸,筑实厚一寸五分。”这些规定了地基的处理方法及压实比例。其效果不亚于今天的回填土的压实系数,其检验方法比测定压实系数更直接有效。

地基抬高的古典木房子 

从结构耐震意义上讲,夯土台基有助于维持上部结构的整体性。以台基底面为界,将建筑物与自然场地土分开,台基是整个建筑的底盘。如果台基与自然地基刚度差别很大,或者在底盘下做柔性处理,或者台基底部本身水平抗剪刚度就比较弱,台基可能首先就起到了隔震的作用,使高频震动峰值被虑掉。另一方面,础石往往用窄而高的石块,它们需要台基土的嵌固。础石按照柱网布置,像棋子一样嵌固在台基上,上顶面严格水平,标高相同,础石与台基形成一个低高宽比的整体的底盘,这是保证上部平稳的必须条件。 


早期的础石顶面比较粗糙。而宋代以后的实物表明其表面已经被处理得非常光滑,如故宫、祈年殿。础石镜面面积一般比柱径稍大,这样既防止柱脚滑移掉落,同时又允许柱脚有充分滑移的余地。木柱下用的“櫍”,是盘状的垫板,早先用青铜,后用石板、硬木板,从结构角度上讲,它更加有利于柱脚滑动,“櫍”的上下表面都可以滑动,青铜锧与础石顶,石礩与础石顶面的摩擦系数跟木柱脚与础石顶面的摩擦系数差不多。 


清代的基础较宋代又有了较大的改进。梁思成先生在他发掘整理的《清式营造则例》中详细总结“台基构造是四面砖墙,里面填土,上面墁砖的台子。在台基之内,按柱的分位用砖砌磉礅和拦土。磉礅上放柱顶石,柱顶石上立柱。磉礅之间按照面阔和进深砌成与磉礅同高的砖墙作条形基础。”“台基露明部分第二章    中国木结构建筑之下,先用石平垫在下面,其上皮比地面高出一两寸,称土衬石,土衬石的外边比台基宽出约两三寸,称为‘金边’。台基四角转交处有角柱石;四周沿边,上面平铺石面称阶条石。阶条之上,土衬之下,是斗板石。这些部分,若不用石料时,都可用砖替代,这些部分充分发挥了砖石坚固耐磨的特性,有力的维护了台基整体不受损伤。”清式的柱顶石上平面称为古镜。《营造算例》中关于古镜的尺寸说明为“见方按柱径加倍,厚同柱径。古镜厚按柱顶石厚十分之二。”


“古镜”形象的描述了柱顶石顶面所要求的光滑程度。《工程做法则例》中还有以檩数多少定埋头深的规定。即根据荷载确定础石埋深、台基高、夯土厚,以及台基侧限条件,说明已经有了对地基受力相当全面的了解木柱搁置在水平础石镜面上,上部结构与下部基础自然断开,础石对柱脚提供竖向的支持力和一定限量的水平摩擦力。柱上方与梁、枋等构件维持一定抗弯矩能力联结。这是中国古代大型建筑结构最显著的特点,是与现代其他建筑结构体系最大不同之处。 


2.柱架结构 

根据建筑空间使用的不同,中国古代木结构建筑柱网有不同的布置方式,如“身内单槽,周匝无副阶”、“副阶周匝身内单槽”、“身内双槽周匝副阶”、“副阶周匝身内金箱斗底槽”等。按分槽柱网,结构柱架层简支搁置在柱顶石上。柱头与上面的栌斗的连接方式有两种:一是水平搁置,二是柱头留有镘头榫,同时斗底留有海眼。与这两种方法相对应,柱底与柱顶石的连接也是水平搁置或留有馒头榫嵌入柱顶石的海眼中。 


中国木构古建的空间稳定是依靠各个基本间架维系的。各柱按分槽位置布置,由阑额、由额、内额、地栿相搭构成空间稳定的框架间架。基本的结构间架称“间”。梁思成先生从建筑的角度,提出“间”是中国古建的最小单位。

古建筑梁柱细节图

无论建筑平面如何变化,柱额层必须是一个独立的稳定的空间体系。最简单的结构间架是在形成一个间架的四个立柱端头横向施额枋,纵向施随梁枋,通过榫卯固定,形成空间门式简支框架。梁架层的屋盖,加强柱额层的空间稳定。因此柱架的稳定不依赖基础对柱子的嵌固,柱因下端自由简支,上端嵌固,它们的“跟”不在基础,而在上方的额枋和屋盖,因此柱架像八仙桌。正是由于“间”的套用和扩展才形成丰富多变的平面布局。 


《营造法式》对大木作的阑额、柱子都有详尽的作法规定。对于柱子,有“生起”、“侧脚”等技术做法。所谓“生起”就是角柱比平柱升高,升高随殿堂或厅堂的间数而定,“若十三间殿堂,角柱比平柱生高一尺二寸(注:平柱谓当心间两柱也,自平柱叠近向角渐次生起令势圆和,如逐间大小不同即随宜加减,他皆仿此);十一间生高一尺;九间生高八寸;七间生高六寸;五间生高四寸;三间生高两寸”。所谓“侧脚”即“令柱首微收向内,柱脚微出向外”。 “生起”和“侧脚”对榫卯抗拔有利,在自重作用下,它提供了初始弯距。柱额榫卯在安装时较松,或在相当的水平荷载下榫卯会发生转角变形,如果立柱相互平行,则易形成几何可变体。如果立柱相向侧斜,即使柱脚和榫卯都成为活动铰,体系也不会成为几何可变体。正是由于“生起”和“侧脚”形成了中国古代殿堂斜柱和优美的屋顶曲线。同时使整个屋顶梁架处于上凹的支撑面之上,不容易偏心,从而增强结构整体的稳定性。这对于抗震和负载能力都非常重要。 


明清大式构架,柱下端仍然保持平搁简支,柱上端额枋的联系比前代加强了许多。一是额枋的布置密度大大增加,每一柱都与其相邻的各柱用额枋连接。二是额枋的尺寸大大增加。三是在一条轴线上使用两道额时,中间采用“由额垫板”,相当于现代的“工”字型截面的腹板,成为上下额的剪力连接件,大大增加了额的抗弯刚度。四是对雀替使用的重视,它是古建木结构专门的抗转角构件。 


3.铺作与梁架 

铺作层是中国古建柱架层之上,屋顶梁架层之下的过渡层。因横向的梁架置于铺作之上,继而传递屋顶荷载到柱上,所以其联系与梁架更为紧密,故本文将其与梁架层放在一起。铺作由四种主要构件组成:斗、栱、昂,此外有耍头、华头子、昂栓、素枋一段和梁栿项等。单独的一朵铺作也称斗栱。斗栱有“计心”和“偷心”之分。凡铺作逐跳上安横栱的为“计心”造,多用于内槽檐柱和内柱上。若逐跳上下安栱,再出跳出昂者为“偷心”造,多用于外槽檐柱。对于庞大的梁架来说,斗栱是纵横向完备的球铰支座,无论计心还是偷心,都将上部荷载巧妙的传到柱头正中心。 


中国古典建筑屋架体系是靠横向的主梁承重,以抬梁式的殿堂为例,抬梁式建筑的横向主梁为一榀简支层叠相抬的复合梁架,以柱头铺作为支座,一层上再抬一层,层层缩进举高,构成整体成三角形的屋架。各层简支梁上在距离梁头一椽投影长的地方设蜀柱,蜀柱上安放纵向布置的檩(桁),檩上密排横向的椽,椽上铺望板,板上覆瓦。最下层梁由于跨度大,可以由多段组成,可视为多跨连续简支梁。最下层梁往往在室内可见,称“明栿”。明栿与铺作紧密联系,交织伸入铺作里。斗栱是明栿的支座。 

雕刻梁坊

纵向承力檩,又叫桁,是沿纵向水平布置于两架梁架之间的承荷构件。它们跨度大,荷载重,最终支座是梁架。在桁和梁架之间叠加斗栱、素枋、替木构成攀间。攀间作为“副檩”,和檩一起构成桁架,大大加强了檩的竖向承载力。 庑殿、歇山顶稍间的两榀梁架靠斜向的角梁连接。两侧相向对称斜置的四个角梁大大增加了稍间的抗侧刚度,提供了稳固的支撑作用。 


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