【摘 要】建筑是人類(lèi)為適應(yīng)生存、發(fā)展和追求的需要，將結(jié)構(gòu)力學(xué)糅合審美價(jià)值而創(chuàng)造出來(lái)的勞動(dòng)成果，是人類(lèi)智慧在生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域的結(jié)晶。拱橋是通過(guò)一個(gè)水平推力把原本由荷載產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力變成壓應(yīng)力的科學(xué)創(chuàng)造，滿(mǎn)載流動(dòng)之美。斗拱是我國(guó)木構(gòu)架建筑特有的結(jié)構(gòu)力學(xué)構(gòu)件，設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、形式靈活，紛呈多姿之美。穹頂是運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，以周?chē)鷫w為支點(diǎn)的一種古代建筑頂層結(jié)構(gòu)，多有精美雕刻，賦含神秘之美。研究古建筑并加以運(yùn)用，能大大促進(jìn)力學(xué)與美學(xué)的完美結(jié)合；以便在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，讓中國(guó)古建筑的力學(xué)應(yīng)用之美得以傳承，創(chuàng)造人類(lèi)智慧的最新精品建筑工程。

【關(guān)鍵詞】古建筑；力學(xué)；拱形；穹頂；美

自古以來(lái)，建筑都是人類(lèi)為更好地適應(yīng)生存、促進(jìn)發(fā)展和滿(mǎn)足追求美好的需要，將固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)糅合審美價(jià)值而創(chuàng)造出來(lái)的基本的、重要的、高級(jí)的物質(zhì)形態(tài)，是人類(lèi)勞動(dòng)在生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域的智慧結(jié)晶。建筑一經(jīng)成形使用，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了它本身，不再單純是一個(gè)建筑，而是具有實(shí)物存在性、自然獨(dú)立性、精神支撐性、文化傳承性和社會(huì)象征性的一種標(biāo)識(shí)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展軌跡的特殊載體了。

中國(guó)古建筑造型精美，風(fēng)格別致，科學(xué)地運(yùn)用固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，深度糅合美學(xué)元素，深度詮釋了力與美的完美結(jié)合。

拱橋的流動(dòng)之美

拱形是自然界常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)，人類(lèi)建筑利用拱形，正是受自然界的山洞、樹(shù)洞等中空的實(shí)物啟發(fā)，結(jié)合建筑實(shí)際由初步摸索、嘗試，進(jìn)而逐漸走向成熟的。

拱橋的力學(xué)原理，是通過(guò)一個(gè)水平推力把原本由荷載產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力變成壓應(yīng)力或者大部分轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。拱區(qū)別于梁的最大之處就是存在水平推力，如果這個(gè)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(diǎn)和方向剛好通過(guò)拱的軸線(xiàn)，這樣的拱形就是合理的，并且是只受壓應(yīng)力的。具體說(shuō)，拱橋結(jié)構(gòu)是把垂直的縱向力，通過(guò)橋身弧結(jié)構(gòu)內(nèi)力轉(zhuǎn)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(wěn)固堅(jiān)實(shí)。

中國(guó)古代很多橋梁結(jié)構(gòu)都采用拱形，不僅因?yàn)楣暗幕⌒伪戎绷桓€(wěn)定，同時(shí)也考慮到實(shí)用和美觀。其中最著名的趙州橋，歷經(jīng)一千多年風(fēng)雨沖刷和洪水地震考驗(yàn)，至今仍發(fā)揮著重要作用。

拱形結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)，其圓弧幾何形狀提高了抵抗外荷載產(chǎn)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(shí)不可避免的存在超負(fù)荷彎矩，這就制約了它的跨度進(jìn)一步增加，因此就出現(xiàn)了多拱接續(xù)的大型古建筑。

斗拱的多姿之美

斗拱是中國(guó)傳統(tǒng)磚木結(jié)構(gòu)建筑中運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的獨(dú)有構(gòu)件，常用于柱頂、額枋、屋檐或構(gòu)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(guó)古典建筑的樣式風(fēng)格。

作為古建筑中的特色構(gòu)件之一，斗拱科學(xué)運(yùn)用了結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，是我國(guó)木構(gòu)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(yōu)勢(shì)在于：第一，在結(jié)構(gòu)上出挑承重，將屋頂?shù)拇竺娣e載荷分散攤開(kāi)，均勻平推；第二，作為建筑屋頂外溢墻體的過(guò)渡，增加屋檐寬度、延長(zhǎng)滴水距離、擴(kuò)容建筑利用面積；第三，結(jié)構(gòu)緊實(shí)堅(jiān)固，安穩(wěn)程度可靠，抗震動(dòng)能力強(qiáng)。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(jí)制度的象征和重要的建筑風(fēng)格衡量標(biāo)準(zhǔn)。

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(fā)展更多是由于美學(xué)的驅(qū)動(dòng)。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(cè)，新穎別致、美不勝收。與柱頭采用圓形結(jié)構(gòu)不同的是，斗拱是不規(guī)則的角與圓的拼接、揉合，不僅更好地實(shí)現(xiàn)了平衡建筑結(jié)構(gòu)，支撐承重的目標(biāo)，而且具有堅(jiān)實(shí)、美觀、和諧的實(shí)用與審美效果，實(shí)為中國(guó)古代建筑錦上添花的高超技巧和中國(guó)智慧的充分體現(xiàn)。

少林寺的初祖庵，同時(shí)運(yùn)用了柱頭斗拱、補(bǔ)間斗拱、轉(zhuǎn)角斗拱，多重斗拱的連用顯示了其本身的維美精妙與結(jié)構(gòu)力學(xué)的完美結(jié)合，充分體現(xiàn)了斗拱的結(jié)構(gòu)力學(xué)之美和幻化多姿之美。

穹頂?shù)纳衩刂?/p>

中國(guó)古人信仰“天圓地方”，人是自然界的一部分。聰明勤勞的他們?cè)诠沤ㄖ芯腕w現(xiàn)了這一點(diǎn)，穹頂就是最好的例子。

穹頂輪廓如球冠如蒼穹，是運(yùn)用固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，以周?chē)鷫w或支柱為基本支點(diǎn)的一種古代建筑頂層簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，既增加了穹頂內(nèi)部空間，也提

高了抗彎剪能力，使建筑物更加堅(jiān)固。這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理已經(jīng)被現(xiàn)代高層建筑所采納，并被認(rèn)為是高層建筑抗震性能最好的一種結(jié)構(gòu)。同時(shí)，穹頂上有精美雕

刻，既體現(xiàn)宗教的神圣又具有美觀的效果。

從力學(xué)角度看，穹頂?shù)墓皻ひ蚱渲ё酵屏?duì)每一截面產(chǎn)生負(fù)彎矩，減少了每一截面總的彎矩。將彎矩轉(zhuǎn)化為軸壓力，穹頂結(jié)構(gòu)跨度可大大增加。穹頂或球冠結(jié)構(gòu)可將彎矩減少，因?yàn)樗琼g性結(jié)構(gòu)，體形已先確定，而載荷隨時(shí)可變，尤其是活載荷。拱截面還必須能承受一定數(shù)量的彎矩、剪力，才能正常發(fā)揮其承重功能。因此，對(duì)穹頂或拱形來(lái)說(shuō)，截面上沒(méi)有彎矩，只有軸力才是設(shè)計(jì)者的最終追求目標(biāo)。但由于拱形的特點(diǎn)，這個(gè)目標(biāo)不可能完全達(dá)到。

在穹頂建筑結(jié)構(gòu)中，最危險(xiǎn)的屬穹頂彎矩，因?yàn)樗粚?duì)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(nèi)力在截面中分布不均勻，靠近中層的材料不能充分發(fā)揮其力學(xué)性能。因此在利用穹頂結(jié)構(gòu)搞建筑，建筑結(jié)構(gòu)的任一截面必須能承受相應(yīng)的剪力、彎矩、拉力和壓力才能正常承重。這說(shuō)明建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律離不開(kāi)建筑中最本質(zhì)的東西——符合建筑力學(xué)基本原理，主要是重力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、固體力學(xué)原理。

中國(guó)古建筑的許多頂層設(shè)計(jì)，科學(xué)運(yùn)用力學(xué)基本原理，采用穹頂結(jié)構(gòu)形式，架構(gòu)穩(wěn)固、雕飾精美，創(chuàng)造出許多不朽的建筑精品，令人身居宇內(nèi)、心飛天外，賦含神秘之美。

小 結(jié)

以古知今，建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展雖然側(cè)重面不盡相同，但都遵循同一規(guī)律和力學(xué)主線(xiàn)——將彎矩轉(zhuǎn)化為軸力，分散重力，實(shí)用美觀，安全可靠，這一主線(xiàn)貫穿了整個(gè)人類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)形式演變發(fā)展史。在力學(xué)建立以前，人類(lèi)下意識(shí)地自覺(jué)運(yùn)用了這條力學(xué)規(guī)律；經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的建筑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，人類(lèi)不僅熟練地掌握了它，而且深刻認(rèn)識(shí)到建筑結(jié)構(gòu)本身承受著外荷載產(chǎn)生的壓力、支座反彈力，承受進(jìn)而產(chǎn)生的水平推力和空間支撐力，同時(shí)要具備抗震動(dòng)抗沖擊的穩(wěn)固性和實(shí)用性。

從古建筑造型和實(shí)用性能上，我們充分認(rèn)識(shí)到了中國(guó)智慧在建筑中的威力，認(rèn)識(shí)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(jué)地加以運(yùn)用，就能大大促進(jìn)力學(xué)原理與美學(xué)的完美結(jié)合，以便在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，創(chuàng)造出更為漂亮精巧、壯觀氣派的建筑物來(lái)。使建筑力學(xué)、固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)與美學(xué)追求完美融合，讓中國(guó)古建筑中的力學(xué)應(yīng)用之美得以傳承創(chuàng)新，打造人類(lèi)智慧的最新精品建筑工程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 慎鐵剛 《中國(guó)古建筑的力與美探析》（J）《力學(xué)與實(shí)踐》1996年 第3期；

[2] 樓慶西 《中國(guó)古建筑二十講》（M）三聯(lián)書(shū)店 2001年9月 第1版；

作者簡(jiǎn)介：

王登月，1998年12月22日生，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院2016級(jí)本科生，鄭州大學(xué)國(guó)旗護(hù)衛(wèi)隊(duì)員，優(yōu)秀大學(xué)生軍訓(xùn)教官。愛(ài)鉆研、愛(ài)思考、愛(ài)鍛煉；博聞強(qiáng)記，敏而好學(xué)，專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)牢固，文理知識(shí)結(jié)構(gòu)全面；關(guān)注國(guó)內(nèi)外時(shí)政，關(guān)注經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，關(guān)注物理學(xué)科前沿，學(xué)以致用，志在強(qiáng)國(guó)。

（作者單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院）