古建中的科技：那些让人叹为观止的古人智慧！｜新知

　　此外，中国传统木结构建筑中广泛应用的榫卯和斗拱技术，是建筑匠师们经过长期实践创造出来的独特建筑工艺，这些技术带有鲜明的中国特色。

　　用最简单的方式，我们可以把一座中国古建筑理解为三个部分：屋顶，屋身，和台基。

　　中国传统建筑屋顶不仅在建筑中起着围护结构的作用，而且在建筑造型和彰显建筑等级方面起着重要的作用。首先作为建筑物的顶界面，屋顶是重要的围护结构构件，抵抗风、雨、雪的侵袭和太阳辐射热的影响。其次作为传统建筑的上段，屋顶的形式多种多样，如庑殿、歇山、悬山、硬山、攒尖等造型样式。那么古人在屋顶中做了哪些兼具华丽与实用的设计呢？

　　屋顶一般指天花板以上的部分，主要由梁架层、木板基层、泥背层和瓦面层组成。坡屋顶有许多优点，比如节能、保温、隔热、防水和排水，在故宫中的古建筑中，其屋顶主要为坡屋顶的形式。

　　故宫古建筑屋顶采用泥背层、架空层和挑檐，具备优秀的保温隔热性能。古建筑屋顶的木板基层之上，会分层铺墁各种泥背，如有护板灰、青灰、麻刀泥等等，泥背的导热系数和导温系数都比较小，厚度达 30 厘米的泥背层犹如给古建筑穿上了保暖服，使外界的温度变化很难影响到建筑内部。

　　坡屋顶形式形成屋面板与天花板之间的架空层，夏季阻挡太阳辐射热，冬季防止寒冷温度传入建筑内部，保持稳定温度。

　　故宫古建筑屋顶采用曲面形式，具备优秀的排水性能。屋面坡度设计陡峭部位促使雨水快速流下，屋檐部位则水平排出。底瓦与盖瓦组成的瓦面层，底瓦凹形与盖瓦密封连接，排水效果显著。屋顶出檐深远有助于防止雨水侵蚀木构件，保护内部梁柱与斗拱的完整性。这种曲面屋顶设计不仅排水迅速，还有效避免积水，展示了其在物理特性与建筑保护方面的优势。

　　在古建筑的屋脊上，往往会有一排“守护者”，这些“守护者” 们就是屋脊兽。屋脊兽在古建筑中除了装饰之外，还具有实用性作用。从建筑结构来说，屋脊兽的存在是为了保护木栓、铁钉，防漏防嚷面采取的措施。因为飞檐翘角的戗脊上都盖有瓦，但因翘角上翘很高，瓦容易滑下，所以这些瓦中都有一孔，以此用铁钉把瓦固定在戗脊上，为了防漏、防锈，于是在钉之上再压一件装饰兽。以紫禁城宫殿屋顶上的琉璃“仙人走兽”为例，骑凤仙人发挥的实际作用就是固定垂脊下端的第一块瓦件。如此想来，我国的古建筑真是把实用构件和艺术造型巧妙结合起来的典范。

　　瓦当，又名封头瓦，是古代建筑中覆盖建筑檐头筒瓦前端的遮挡，起着保护木制飞檐和美化屋面轮廓的作用。

　　“墙倒屋不塌”就是民间对木构架建筑优越抗震性能的生动描述。那么，承担房屋全部重量的木构架是如何构成并发挥抗震作用的呢？屋身是古建筑最重要的组成部分，一般由木构架、斗和墙体组成。木构架类似于现代框架结构，负责承载屋顶荷载并传递到基础。斗常见于柱顶额枋、檐下或梁架檩枋之间，通过斗形和弓形木构件交错叠置，用于荷载传递、增加外檐出挑、装饰和连接。墙体在古建筑中主要围护和分隔，虽不承重但稳定柱网，增强抗震能力，同时具备良好的耐火性。

　　屋身占据了古代建筑结构的一大半，是古代建筑结构的主体。中国古建筑以木材、砖瓦为主要建筑材料，以木构架为主要的结构方式，从原始社会末期起，一脉相承，形成了一种独特的风格。各个构件之间的结点以榫卯相吻合，构成富有弹性的框架，颇具特色。单从梁架做法上，中国传统建筑梁架形式分为三种：抬梁式、穿斗式、井干式。

　　抬梁式结构就是把梁抬起来的木构架，不止抬一次，而是柱上架梁，梁上又抬梁。最上层梁中间立小柱或三角撑，形成三角形屋架，能很好的将建筑本身受到的作用力一层层向下传递至台基，从而保证了建筑的一个整体的稳定性，有很好的减震作用。抬梁式木构架在宫殿、庙宇、寺院等大型建筑中普遍采用，更是皇家建筑群首选形式，也是古建筑木构架的代表。

　　提到梁架，就不得不说悬空寺。悬空寺位于山西省大同市浑源县恒山金龙峡西侧翠屏峰的峭壁间，素有“悬空寺，半天高，三根马尾空中吊”的俚语，以如临深渊的险峻而著称。

　　悬空寺不仅外貌惊险壮观，建筑构造也颇具特色，屋檐有单檐、重檐、三层檐，结构有抬梁结构、平顶结构、斗拱结构，屋顶有正脊、垂脊、戗脊、贫脊。店琮楼阁 40 余，距今已有 1500 多年历史，依靠榫接结构，嵌入崖内而不倒。

　　悬空寺利用力学原理半插飞梁为基，巧借岩石暗托，梁柱上下一体，廊栏左右相连，曲折出奇，虚实相生。

　　这座重达数十吨的 3 层寺庙孤独地悬挂在半空，建筑下方的柱子竟然会动？其实，悬空寺看似是这几根立柱在支撑，其实是上边的 27 根直径 50 厘米的横梁起主要的支撑作用。这些横梁选用质地坚硬的铁杉木，通过桐油长时间浸泡后，一头做成剪刀型，插上木楔，再插入石孔，像膨胀螺栓一样，越打越紧。最终，打进三分之二，外露三分之一，这就形成了一个强有力的杠杆，每根可以承受数吨之重。在力学原理的作用下，悬空的部分就被横梁牢牢拖住，只要横梁不断，寺庙就不倒。

　　穿斗式结构，其最大的特征是无梁，先用串枋将柱子串接起来，构成一榀榀（pǐn）的房架，另一个方向用斗枋把柱子穿起来，其网状结构的牢固性强，整体的韧性较强，整体结构具有高度的完整性。穿斗式在汉代已相当成熟，但需要有大量柱子作支撑，无法满足多人集会的大空间需求。此类构架形式一般适用于南方地区，如云南、川渝、江西、福建等地。

　　井干式结构不采用柱子和大梁，仅用圆木或加工的木头从下到上层层堆叠，形成房屋四面墙。四墙交接处木头交叉咬合，实质上是用木头筑成的墙体。这种结构最早出现在商朝后期的陵墓内，周到汉时期的陵墓长期沿用。但由于需要大量木材，耗费较多，多在木材充足的少数地区应用。

　　斗拱是中国古代建筑的核心组成元素。梁思成先生曾经说过：“斗拱在中国建筑上的地位，犹柱饰之于希腊罗马建筑；斗拱之变化，谓为中国建筑之变化，亦未尝不可。”斗拱通过榫卯之间纵横交错的组合，在不使用一根金属连接件的情况下，保证了许多木构古建筑能够屹立千年而岿然不倒。

　　斗拱是古建中特殊的组合构件，在这个大结构里，像弓一样的称为“栱”；如米斗造型的称为“斗”；枋就是横截面呈矩形长条形构件；而屋檐下挑檐的斜向杠杆类木构件，恰似鸟嘴或飞翼托举着屋檐，称为“昂”。

　　斗拱在大木结构中除了增大距离和装饰作用以外，还具有荷载作用和抗震作用。2017 年，英国第四频道播放了纪录片《紫禁城的秘密》，旨在揭示故宫在几个世纪中如何屹立不倒。摄制组与中国专家和木匠合作，按照 1:5 的比例复制了紫禁城寿康宫的建筑模型，并进行了地震模拟测试。

　　在 4.5 级地震模拟中，模型开始微微晃动；到了 9.5 级，建筑模型出现了大幅度晃动，但整体结构仍然稳固；当地震达到 10.1 级时，模型的两侧墙体倒塌，但斗拱的木构骨架依然完好，未受到损坏！

　　摄制组惊呼：“这真的太令人惊讶！没有钉子，也不用粘合剂。” 这是因为斗拱由不同木块拼接而成，之间无需任何加固的东西就能牢牢地组装，每层还有可灵活松动的空间，可起到变形消能的作用，从而大大地减少建筑的破损度。

　　除了巧妙的斗拱，故宫还有一个秘密，就是看似普通的柱子。与一般建筑中深埋在地基里的柱子不同，故宫的柱子都有一个柱础，即石墩。由于柱子没有埋在土中，这样可以在震动时提供一定的缓冲和摇摆空间，从而降低折断和整体建筑塌陷的风险。

　　同样经历过多次地震考验的还有应县木塔，它曾经历过明代 9 级大地震，以及近代邢台、唐山、大同等多次大地震的洗礼，依旧屹立不倒，岿然不动。

　　应县木塔（公元 1056 年），是一座位于山西北部的古建筑奇迹，被誉为“斗拱博物馆”。应县木塔之所以被誉为“天下第一”，很大程度上是因为其独特的建筑构造。作为一座纯木结构的高塔，高达 67.31 米，底层直径 30.27 米总重量约为 7400 多吨，八角五层六檐，外观上看似五层，实际上内部分为九层。它相当于现代建筑的 20 多层楼高，是中国现存最高、最古老的木结构塔式建筑。

　　整座塔身未用一根铁钉，全靠斗拱、柱梁镶嵌穿插吻合，斗拱的存在，赋予了木塔结构上的“弹性”。

　　斗拱纵向支撑屋檐荷载传递至柱头，横向则连接左右的梁枋，使力量在建筑中得以交织和承载。斗栱系统由多个小木料榫接构成，形成小型悬臂梁，可以调整倾角并平衡弯矩。这些特性使得斗栱系统在地震或炮击时发挥阻尼作用，通过摩擦和错位消耗巨大的外部能量，从而提升建筑的抗震和抗冲击性能。

　　应县木塔的斗拱是其最为人称道的部分，全塔共用斗拱 54 种，480 朵，形态各异，功能明确，既有支撑作用，又兼具装饰之美，堪称中国古代斗拱艺术的集大成者。

　　每一种斗拱都经过精心设计，既保证了结构的稳定性，又赋予了塔身以灵动之美。而按木塔斗拱所在的位置功能就有外檐柱头铺作、内槽补间铺作、一层副阶转角铺作等十几种。这些不同部位不同楼层所选用的斗拱均有样式差异，人站在木塔脚下，一眼望去，全是各种斗拱的交替铺陈。

　　位于天津市蓟州区的独乐寺也凭借斗拱的设计屹立至今。独乐寺又称大佛寺，相传始建于唐代，后在辽统和二年（984 年）重建，是中国仅存的三大辽代寺院之一，也是著名的古代建筑，被梁思成誉为“罕有之宝物”。

　　观音阁是独乐寺最著名的主建筑，也是我国现存最古老的木结构高层楼阁，看似只有三层实际相当于现代建筑的七层楼高，被称为辽代的“摩天大楼”。阁内布置井然有序，整体框架没有一根铁钉，完全依靠斗拱榫卯接立，斗拱和梁枋将内部分成三层，使人们可以从不同角度观看佛像。此阁经历多次地震仍屹立不倒，展示了辽代木建构技术的卓越成就。

　　在故宫参观时，你可能会注意到宫殿两侧的红墙上有几个小窗户，比A4纸还小，用青砖制成，上面雕有花纹。这些窗户通常成对出现在墙面与墙根上下，有些高大墙体上甚至是一组三个。这样小的窗户显然不是为了采光。它们的实际用途是什么呢？

　　这些小窗户，学名叫“透风”。顾名思义，它的功用就是通风透气。但它不是给人透气，而是给柱子。

　　中国古代宫殿采用木结构，墙体不承重，真正支撑建筑的是柱子，因此有“墙倒房不塌”之说。紫禁城里宫殿的屋顶都非常厚，因此太和殿用了 72 根大柱支撑。木头最怕虫蛀和潮湿。为了防虫蛀，首先选用不易被蛀蚀的上好楠木和东北松木，再经过近十道工序，包括汁浆、捉缝灰、通灰、刮腻子、色油等，确保杀死蛀虫、不再生虫。

　　防潮对古建筑也至关重要。柱子不直接打入地基，而是放在石头柱础上，以隔绝地下湿气。然而，有些柱子包裹在厚墙体中，柱子与墙体交接处的湿热空气容易滞留，长期会导致柱子糟朽。古人因此发明了“透风”技术。在砌墙时，用板瓦围住柱子，留出约 5 厘米的空隙，并在柱子上下端对应的墙置开 15 厘米宽、20 厘米高的砖洞作为通风口，直达墙外。为了美观，通风口用镂空花纹的青砖装饰。

　　墙根透风处，上方墙面一定也有至少一个透风口，以形成空气对流和循环，增强除湿效果。空气通过底部透风口进入，沿柱子向上流动，再从顶部透风口排出，确保柱子周围空气流通，保持干燥，最终保证宫殿结构的稳固和耐久性。

　　除了普通四面组成的墙壁以外，天坛的回音壁更具有特点。天坛回音壁位于北京天坛公园内，是皇穹宇的围墙，高 3.72 米，厚 0.9 米，直径 61.5 米，周长 193.2 米。墙壁由磨砖对缝砌成，墙头覆着蓝色琉璃瓦，围墙弧度规则，墙面光滑整齐。站在东、西配殿后，靠墙而立，向北说话，声波沿墙壁连续折射传到数百米外，声音清晰悠长，堪称奇趣，营造“天人感应”的神秘气氛，故称“回音壁”。

　　回音壁有回音效果的原因是皇穹宇围墙的建造暗合了声学的传音原理。围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，弧度过度柔和，有利于声波的规则折射。加之围墙上端覆盖着琉璃瓦使声波不会散漫地消失，更造成了回音壁的回音效果。

　　雀替是中国古建筑中的一种独特构件，宋代称“角替”，清代称“雀替”，它形似双翼，附于柱头两侧，曲线优美且雕刻精致，既有力学功能又富装饰趣味。雀替的作用主要是缩短梁枋的净跨度从而增强梁枋的荷载力；减少梁与柱相接处的向下剪力；防止横竖构材间的角度之倾斜。其制作材料由该建筑所用的主要建材所决定，如木建筑上用木雀替，石建筑上用石雀替。

　　古代在没有玻璃窗的时候，窗户都怎么透光呢？人们可能普遍认为是电视剧中一戳就破的油纸。但实际上，从宋朝开始，在东南沿海逐渐流行一种名为明瓦的透光材料，明瓦比油纸更坚固耐用，被富人家中广泛采用。在苏州的拙政园见山楼，依然能看到使用明瓦的窗户。

　　那么明瓦到底是什么呢？据《肇庆府志》记载：“蚝光出阳江海中，蚝别种，无肉，治其壳，施以窗隔，薄而明，谓之明瓦。”明瓦起源于江南水乡，是用蚌壳制成的方形薄片，四角圆滑。制作过程包括刷洗、晾晒、切边、打磨、切片、打眼、固定等多道工序，非常繁琐。虽然原材料不昂贵，但由于工艺复杂，产量极少，因此在古代被视为奢侈品，多见于大户人家的花窗木格中。明瓦透出淡淡的暖光，为古代建筑增添了生气和光彩，打破了沉闷的氛围。

　　明瓦除了用在建筑窗户上，也可以置于屋檐。最出名的明瓦当属故宫养心殿后檐上的窗罩，阳光洒下来时堪比现代阳光房。在故宫博物院 600 年大展上，展出了养心殿明瓦的结构模型，其材质被称为“海月”，海月其实是一种双壳纲贝类，因其透光且扁平的特性，非常适合用作明瓦。

　　故宫之所以保存完好，不仅因为修缮工作精良，还得益于其坚固的地基。在故宫之中，地面上铺的砖块都都是那种又厚又重砖石，与普通的砖块有很大的不同，这种砖块有一个非常贵气的名字，叫做金砖。

　　这些砖块之称金砖，并非因其成分含金，而是用特殊材料烧制而成，在制造过程中，工匠会添加适量的桐油。明清时期，只有苏州能制造金砖，其制作过程极为复杂，需经多道程序，确保坚固耐用且大小一致。据记载：“一块二尺的金砖，每一工只能磨三块。在墁地时，一名瓦工加上两个壮工，一天也只能铺墁五块。”

　　金砖从泥土到成品，整个过程要长达两年时间。每块金砖上都会刻有烧制年代、烧制窑厂名字、制作工匠姓名、督造人姓名等信息。如果日后在使用中发现金砖出了问题，就能方便查到是谁的责任了。

　　制造金砖费时费力，铺设金砖更是步履维艰。以太和殿为例，整个太和殿共铺了 4718 块金砖，若将整个宫殿铺满金砖，需 1573 名砍磨工、944 名瓦工、1888 名壮工。除了太和殿外，故宫里一些重要宫殿，如中和殿、保和殿也铺设这种金砖。据相关资料记载，故宫地砖总共铺设了 15 层，用了近 8000 万块砖。这种铺墁厚度简直坚如金汤，正因这 15 层金砖，故宫才如此稳固。

　　铺墁这么厚的地砖，除了让地基牢固，还能起到防盗的作用，盗贼们即便再神通广大，也不可能挖地道进入故宫，所以从故宫建到现在，从来没有被宫外的盗贼偷盗过。

　　古建筑的下分，指的是基础与台基部分。基础作为结构构成因素，支撑整个建筑的荷载并传递至地基。台基作为围护与装饰要素，环绕基础形成建筑的基座，通常由砖石包砌的夯土平台构成，除了保护基础和防水外，还在建筑造型和等级标识中扮演重要角色。地面也属于下部构成，既是室内地坪，又是台基上的表面，对传力均匀性和防潮性有要求，必须坚固耐磨、易清洁。

　　台基是高出地面的建筑物底座。其主要作用为防潮、防腐、承托建筑物，增强单体建筑的高大雄伟。可分为普通台基和须弥座两类。一般房屋用单层台基，隆重的殿堂用两层或三层台基。

　　故宫三大殿就共同建在一个高三层、共 8.13 米的台基上，整个台基是将以几个须弥座相叠而成，不仅可以使建筑物显得更为宏伟高大，还可以使建筑远离地下水位，使地面较干爽。故宫台阶栏杆下的螭首，其实是台基的排水口，下雨时，台基上的雨水就会由螭口喷出，形似喷泉蔚为壮观。

　　除了排水防潮防腐，台基最重要的功能是保证建筑的稳定性！一千多年前的应县木塔屹立至今除了斗拱的功劳以外，还需要台基强有力的支撑。

　　首先，与一般的楼阁式塔不同，应县木塔的基座尺寸可达长宽约 52 米，两级塔基总高为 4.4 米。下层为方形，四面各有月台突出；上层为八角形，与下层月台方位相对，四面各有四个月台。塔身直接建立在二层八角形大台基之上，这厚实稳固的大台基成为木塔坚固支撑的关键，也增加了塔体与地面接触的面积。

　　排水是建筑建造需要考虑的重要问题，古代选城址的时候便有诸多讲究。合理的排水系统，可防止房屋因雨水堆积，减少损坏，延长建筑寿命。沟渠排水是古代大型建筑（群）主要的排水方案。

　　据秦咸阳宫殿考古发掘，建筑群地面已有系统排水工程设施，地面雨水和生活污水均集中流入类似现今砂井的排水池（长 3.2 米，宽 2.7 米，深 0.7 米），排水池底用草泥土涂抹，以防渗水池下有漏斗把积水泄入圆形陶制下水管，各路水管均有一定坡度，使污水迅速流入干渠。

　　以北京故宫为例，每一座宫殿院内都考虑了排水问题，都设置有排水支沟，在宫城墙下设有集水干沟，北部的雨水汇集到神武门内的干沟流入西边护城河，南部的雨水分别流入金水河，然后流向东南角的护城河，宫城全部沟道均有适宜的排水坡度，使70公顷的故宫无积水之患，保证了全宫地坪的干爽。

　　故宫的地面上有很多形状像铜钱一样的孔洞，被形象地称为“钱眼”。这些“钱眼”，其实就是排水系统的进水口，从屋顶排出的水流由此进入排水沟渠。

　　中国古代建筑技术以科学的结构、优美的造型、严谨的布局和多彩的装饰，宛如一部独特的东方建筑乐章，通过独特的节奏和韵律，向全世界展示了中国古典建筑的风格和魅力。