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中国古代木结构建筑真的不用一根钉子吗?

本文作者: 发布时间:2021-06-02
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中国古代木结构建筑真的不用一根钉子吗?

中国古代木结构建筑真的不用一根钉子吗?

中国古代木结构建筑真的不用一根钉子吗?

木头是一种常用的建筑材料,广泛应用于东西方的建筑中。木头可以雕凿,也就可以通过雕凿的办法制作出凸起与凹槽,凹凸对拼就能起到连接构件的作用,这种连接方法被称为“榫卯结构”。

榫卯结构

很多人认为榫卯结构是中国古代木构建筑和木构家具的灵魂,是中国古人传统智慧。

因为使用榫卯连接构件,要在成器之前就提前做好构件的通盘规划,自选材始就要在尺寸上对连接部予以考虑,还要根据连接的方位去具体设计榫卯的位置,器物未成,匠人就要先有成竹在心,否则一旦改动,构件整个就废掉了。

这种体验,做过木工活的人都有深切体会。

从这个角度看,榫卯结构就有一大缺点,那就是它阻碍了匠人根据制作过程中的具体变化随意改变设计,因此中国古代木构建筑和家具的设计也就基本上是千篇一律。不管是斗拱梁架,还是家具桌椅,绝大多数都是一个模子刻下来,因此也就需要有《营造法式》、《工程做法则例》等规则性的书籍,方便匠人取材。

故宫琉璃瓦瓦钉

同时,古代木构建筑也有作法越来越简便、越来越取巧的发展倾向,乃至于到了明清时期的木构建筑,唐宋时期的特殊做法都不复存在,明清样式古建筑的特点也被梁思成先生称为“衰老羁直”。

这些问题当然不能全部归咎于榫卯结构,但是榫卯结构与中国古人作用木材的整体思路还是相当匹配的。

榫卯结构的起源

虽然说榫卯结构是中国古代智慧的结晶,但榫卯结构究竟起源于哪里尚是个有争议的问题。

1973年,在浙江省余姚市河姆渡镇发现了距今六、七千年的新石器文化遗址,其代表的文化被称为“河姆渡文化”。在河姆渡遗址中出土了大量木质构件,有部分是使用凹凸对插的榫卯结构连接的。

河姆渡遗址出土的木质榫卯,而为了确保榫卯构件的稳固,河姆渡人会在榫头打孔以安插木质销钉

无独有偶,在德国的莱比锡附近的一个小镇Altscherbitz,发现了距今7000年的新石器时代文明遗址,隶属于中欧地区的Linearbandkeramische文化。

在德国的莱比锡出土的木质榫卯

这里出土了七千多年前先民的干栏式建筑遗迹,这些干栏式建筑使用的木构件,也是用榫卯结构拼接而成的。

补充解释一下,“干栏式建筑”是一种民居建筑,新石器时代被人类广泛采用作为居住房屋的主要结构之一,现代依然广泛分布于东南亚、中南太平洋、中国南部等地区。主要特点是竹结构或木结构,以长条形的构件四面拼接成方框,再以同样大小的方框层层堆砌成房屋的四面墙。四根木条如果要拼接成方框,要保证四面都在一个水平面上,而不是二高二低,层层堆砌的时候墙面才能做到不漏风。

基本做法就是,每根木条在拼接处都凿进去直径的一半,凹凸拼嵌,就能让一个方框四根木条成为一个平面。这种做法的优点是不需要严格规定每根木条的尺寸,只要拼接部之间的距离统一就可以了。

干栏式水井榫卯结构

德国出土的木结构不仅有干栏房屋,还有干栏式水井,其拼接方式更加复杂,在两根横木条两端挖洞,在两根竖木条两端作出凸起,插入横木条的洞里。

这种做法就必须保证每根木条的尺寸都要统一。同时还使用楔子插入孔眼,防止脱节。在中国,这种楔子传说是鲁班“发明”的,可是春秋战国时期的鲁班,比起中欧的Linearbandkeramische文化,已经晚了四五千年。

干栏式水井榫卯结构

在古埃及图坦卡蒙法老的陵墓中,大量发现古埃及的木制家具,其中有椅子、凳子、桌子等物品,距今约4800年。这些木制家具,其构建连接都是使用的榫卯。

目前的考古证据表明,古埃及人是最早使用椅子的民族。图为图坦卡蒙金王座。这把配有脚踏的金王座(椅子)与现代椅子没有本质区别

古埃及新王国时期(公元前1550-前1070年)榫卯结构的木质凳子,佛罗伦萨国立考古博物馆埃及馆

当时的东方,还没有椅子这种家具,大约是魏晋南北朝时期才传入中国的。同时传入中国的还是一种交脚挨凳,也就是唐代所称的“胡床”。

此外,榫卯并不是木构件的专利,其他材料的构件同样可以使用榫卯,如青铜、石材、陶瓷等,在东西方的考古发掘中均有发现。

至少从留存的古代遗迹来看,榫卯并非东方的“专利”,也无法判别究竟是“中国人”还是“西方人”发明了榫卯。其实,对于起源问题,纠结某一种东西到底是哪里的先民最先发现的,根本没有意义。

榫卯和钉子的关系

事实上,无论是东方还是西方,古代木结构的房屋大致都是使用榫卯结构。

但是,使用榫卯结构并不等于完全不用钉子,同时,榫卯结构本身所需要的构件中就包括了钉子。比如,要把两根杆对接起来的榫卯,对接的两部分结合处,需要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,这在7000年前的德国遗存中就有发现。

木钉也是钉子

有人要问,那么为什么不直接用两脚钉,把两根木头对接起来呢?因为钉子钉入木头,依靠木头本身的回弹性挤压钉子来固定。可是时间长了以后,木头材质会老化,挤压力下降,也就是握钉的能力下降了,钉子在木头中就会松动、移位。

如果把钉子钉在榫卯中,木头之间的作用力就不完全依靠钉子,就可以大大延缓木头老化导致结构松动的过程。这就是榫卯结构对于木构件在结构体系上的重要性。

因此有些人认为榫卯结构的作用主要是“装饰”,甚至认为这是一种没有什么必要存在的东西,这种观点是错误的。

楔钉可以是木头的,也可以铁的。铁的好处是强度大,能承受更大的拉力,但铁容易生锈,一旦锈蚀变脆,其结构作用就会大打折扣。

应县木塔可以说是用(木)钉子最多的古代建筑

因此在木构建筑上,主要使用木楔,也就有诸如“应县木塔不使用一根铁钉”这样的说法,只是不用铁钉。但是木楔也有缺点,细细一根小木棍,一掰就断,它抗拉的性能比铁要弱得多。

因此对于大型木构建筑,往往初建的时候以使用木楔为主,但时间长了再行修缮,工匠就要用铁钉在一些部位加固。

应县木塔在修缮的时候使用了大量铁钉,很多人认为是“破坏”了文物,其实不然。修缮木构建筑主要就是更换腐朽的构件,但有些木构件深藏在建筑内部,如果要更换,岂不是要把整个木塔拆掉。

为了不破坏古塔的主体结构,从外部钉钉子加固,也是一个办法。这并非现代人不懂行,或者蓄意破坏,自古以来人们就是如此对待需要修缮的老建筑的。

即使是新建的木构建筑,使用铁钉也非常常见。由于结构外露的部位如柱、梁、斗拱等,需要油漆、彩绘,具有装饰作用,因此较少使用铁钉。

上图:上世纪九十年代山西太原晋祠圣母殿落架大修时,用钉子将椽固定到脊槫上;下图:先农坛某悬山顶建筑,山花上的突出物就是“梅花钉”

但隐藏在屋顶中的椽子上就不一定没有一根铁钉了,只要房子外部效果达到要求,内部如何作成,并没有一定之规。

从另一个角度来看,榫卯的本质和钉子也没有区别,都需要承受大型木构的重量,如果仅仅用榫卯,木榫头的承重能力能否撑托要打一个大大的问号,因此大型木构架一般肯定要使用钉子来强化,即使初建不用钉子,未来修缮也一定会用的。

榫卯与结构的关系

前文介绍了榫卯和钉子的关系,我们知道铁钉子强度大,木钉子强度小。不同的作用方法决定了木构建筑的结构特点。

古代的罗马人喜欢用桁架建造房子的房梁和天花板,所谓桁架就是用木头搭建的框架,它可以用长度有限的木头搭建出长度无限的跨度,这也就是罗马式巴西利卡(殿堂)的构件基础。

罗马桁架

公元315年,君士坦丁在台伯河西岸原卡利古拉赛车场附近的使徒彼得墓地上建造了老圣彼得巴西利卡大教堂(Old St. Peter’s Basilica),这是一座五廊身的大型巴西利卡,四列柱子将空间纵向分为五个部分,其中长达 122 米的中厅又高又宽,高出的部分开设侧窗用以采光。除了最外道侧廊外,主要的屋顶都采用传统的木桁架构造。

古罗马的桁架,主要是木棍以三角形结构搭接。木头与木头之间的连接部使用榫卯或金属销子进行连接。桁架的主要形式可以有立柱式、芬克式、豪威式、阁楼式、单坡式、剪刀式、反向式、屋脊式、平板式、双斜坡式等。

梁架受力与桁架受力图示

相比较而言,中式木构建筑较少使用桁架,主要以梁架来承重,建筑物的跨度取决于梁条用材的长度。古代中国木构建筑主要有穿斗式和抬梁式两种架构。

抬梁式与穿斗式图示

北方官式建筑,包括唐代建筑遗存佛光寺东大殿和明清时期的宫殿建筑群北京故宫,都是抬梁式,即梁条搁在承载屋顶的柱子上,在梁之上再搭建屋架。

南方民居建筑大多使用穿斗式架构,以柱直接承托屋架,用横木穿过柱子起稳定作用,被称为枋。当然,并不是说穿斗式就没有梁了,只是没有承托屋架的梁,屋架本身还是需要梁的。

不管是什么架构,柱子之间的跨度取决于梁材本身的长度,这是无法改变的。因此中国木构建筑的跨度非常有限,再大的大殿,也必然是柱子林立。

大型殿堂建筑采用“减柱法”布置,在需要较大跨度的地方减少一两根柱子,换用较长的梁条,但这无法改变跨度受限的基本事实。

西方木构建筑在这一点上自由发挥的空间就要大得多,因为桁架结构可以无限延伸的特点,采用木桁架的大跨度建筑比比皆是。

意大利帕多瓦理性宫

比较著名的有:始建于1097年的英国威斯敏斯特厅,跨度20.7米;建于1172年的意大利帕多瓦理性宫,跨度27米;德国特里尔的君士坦丁巴西利卡,跨度27.2米。

欧洲人广泛应用的桁架结构一直发展到今天,至今都是西方木结构住宅的主要结构形式,从中发展出了现代轻型木结构建筑,在中国也广泛应用。

榫卯与材料的关系

榫卯结构广泛应用于木结构的搭建,但榫卯结构并不是木头的专利。不管是什么材料,只要其外形是可塑的,都可以应用榫卯结构。

福建省晋江市安海镇和南安市水头镇之间的海湾上,有一座安平桥,建于南宋绍兴八年(公元1138年),这座桥是一座连梁式石板平桥,以密集的桥墩和桥墩之间的石板梁条组成桥的基本结构。

安平桥

这座桥的栏杆,虽然也是石头所建,但却在石头上凿出了榫头和卯眼,榫卯相接。

另一种石榫卯的应用是在石板桥的桥面上。石板之间的横向连接,可以在每块石头的侧面都开一个槽,内大外小,两块石头侧面的槽对准,形成一个两头大中间小的空腔,再打制一块与此空腔的形状严丝合缝的连接件放入空腔中,就可以将两块条石互相连接。

不唯中国,史前时期的英国巨石阵,其巨石之间的拼接也用了凸出的榫头和凹进的卯眼,有如巨大的“乐高”。

英国史前巨石阵

在建筑结构上的创新,中国现存的早期木构建筑中经常可以看看到一些实例。

例如山西省高平市河西镇的崇明寺佛殿,建于北宋开宝四年(971年)。这座佛殿并不存在一根横跨整个殿堂的梁条,而是用两根一样长的短梁对接而成,两根短梁之间没有任何连接受力点。

这是怎么做到的呢?原来,这座大殿使用了非常硕大的斗拱,出檐深深挑出。

崇明寺佛殿

当房子的屋檐足够深长,屋檐部分屋顶的重量足够重的时候,屋檐部分的重量就很可能做到与屋顶部分的重量相当。也就是说,形成了以柱子为支点,两边分别是屋檐和屋顶的天平,天平达到平衡状态,中间的重量也就不需要完整的梁来撑托了。整个房屋就是两个天平靠起来组成的。

崇明寺中佛殿的精巧结构,体现了古代工匠非凡的巧思。在木头材料严重缺乏的情况下,用有限的木材,大大延伸大殿的跨度,同时还要符合力学理论,让人很难相信是文化水平不高的古代匠人所为,令人惊叹。

不过,木结构建筑在结构上的创新,随着时间的推移却越来越少,到了元代以后,不仅建筑外形越来越趋同,结构上也基本都是严格遵循惯例。不管是故宫还是其他的什么古代建筑,在建筑结构学上,都已经没有太大的价值了。

结语

榫卯结构是一种连接构件的方法,属于初级的技术,七千多年前的人类就发明并且应用了。同时,榫卯也不是中国独创,在全世界各国都广泛应用,而且只要使用木结构搭建,几乎必须要用到榫卯。
不唯木结构,石材等其他材料也可以使用榫卯,只不过后来人类使用的构件连接技术越来越多,如粘合剂、混凝土等,都比榫卯要省事、牢固得多,因此除了木结构之外,西方建筑很少再用榫卯连接石材。而我国在长期都以木结构为主,即使使用石材建造桥梁等,因为没有更先进的粘合技术,只能费时费力地在石头上凿出榫卯来。

但对于榫卯结构的木质家具来说,确实可以做到只用木头而不使用钉子。

17世纪一对黄花梨高背扶手椅(嵌大理石板)

中国古代的木制家具在广泛吸收世界先进文明成果的基础上,在明代达到登峰造极的水平,明式家具的设计美学也深刻影响了现代北欧家具的设计。

但作为木质建筑来说,由于其承重的需要,不可能做到不用一根钉子,而古人能灵活运用铁(木)钉加固建筑,这本来应该是我们的骄傲。

如今,一些榫卯结构的建筑被一些人说成“不用一颗钉子,屹立千年都不倒”“中国古人建筑黑科技”“领先西方几千年”,这不能不说是一种悲哀。

应县木塔用了大量钉子

中国古代木结构建筑真的不用一根钉子吗?

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