中国古代建筑中有没有木桁架结构？如果没有，为什么木桁架结构没有在中国古代被发明出来？ 第1页

贴一下自己的自然辩证法课程小论文，非古建筑专业学生，德语区桁架那部分的论述可能并不准确，请各位知友指正。

在古代，对建筑中占多数的民居而言，以木为主材是世界通行的。除在我国盛行的榫卯斗栱外，不同地区的文明发展出各具特色的木结构体系，其区别体现了对力学研究水平的差异。本文简要介绍了古代力学研究与木结构发展的关系。

梁思成在《中国建筑史》中指出：“世界它系建筑，多渐采用石料以替代其原始之木构……中国始终保持木材为主要建筑材料，故其形式为木造结构之直接表现。其在结构方面之努力，则尽木材应用之能事，以臻实际之需要，而同时完成其本身完美之形体。”[1]我们常说：中国建筑是木造的历史，西方建筑是石造的历史；而实际上，这种看法有失偏颇。建筑用材的区别主要体现在宫殿、纪念物、宗教建筑等特殊类型的建筑中，对在古代建筑中占大多数的普通民居而言，以木为主材是世界通行的准则。考古发掘表明，在史前时代，世界各地的文明都以土木所筑的巢穴与窝棚作为居所，如黄河、尼罗河、幼发拉底河、多瑙河等流域地区，其大致形制如图1。

图1. 陕西半坡村圆型住房

图2. 原始榫卯

由于史前时代金属冶炼技术较差，早期的木结构中即已出现榫卯连接的技术。我国河姆渡文化遗址中即已发现运用榫卯连接的木构件，而欧洲出土的榫卯最长也有七千年的历史（图2）。这说明了榫卯并非中国古建筑的专利，也能够说明在东、西方地区，最早期的木结构体系是类似的。

在东方，商朝（约公元前17~11世纪）起出现了以黄土为台基的木结构宫殿，并初步掌握了纵向堆叠木料的井干式木结构技术。而在公元前1000年，木结构已成为古代埃及和希腊的基本梁柱结构形式；圣经还记载，所罗门王的庙宇由黎巴嫩雪松建造。[2]在此之后，木结构的体系出现了分化，东亚地区逐渐发展出一套由横平竖直的木构件间组成的斗栱体系，而欧洲地区则逐渐发展出一套由非正交的木构件组成的桁架体系。

从古至今，木结构是人类社会应用最广、历史最悠久、经验和理论最丰富的建筑结构体系。探讨东西方科技观之差，木结构技术是一块很好的“透镜”。

1. 古代东方木结构体系与力学的发展

东方木结构体系发源于中国，随文化交流先后传播到东南亚、朝鲜半岛和日本，其要素从小到大依次为榫卯（节点）、斗栱（构件）和抬梁/穿斗（整体结构），其中最关键的部分是斗栱。从现代力学的视角来看，经过千年发展的斗栱体系主要解决了三个问题：第一，屋顶受固定荷载时向下传力不均的问题；第二，构件在应对动荷载时的稳定性问题；第三，屋顶悬挑的问题。

根据出土的青铜器的形制推断，最早的斗栱出现于西周，是在榫卯的基础上，为减少应力在立柱与梁交接部位的集中，增加了一个方形木构件，称为“栌斗”。
[3]《春秋毂梁傅注疏》还记载了“瓜柱”，即将屋顶重力传到主梁的构件。

图3. 栌斗
秦汉时期，出现了将荷载进一步分散的构件“斗”、同样减小交接部位应力集中的构件“升”。结构分解图与考古资料如下图所示。至此，第一个均匀传力的问题得到了解决。

图4. 秦汉斗栱体系

图5. 汉代几种斗栱做法

从西周到西汉，木结构改进的理论依据是中国古代对材料刚性、韧性的一些定性认识。《墨经》指出：“发均悬，轻而发绝，不均也。均，其绝也莫绝。”头发丝在受力均匀时比受力不均时更不易断。现代力学的结论为，一类超静定问题中，构件需要均匀承受荷载。[4]但由于缺乏定量的计算，此时的结构构件还是按照经验布置的，没有严格的标准。

斗栱体系的第二个大进步发生在东汉至南北朝时期。一方面，引入了 “出跳”，即在立柱的基础上通过横向杆件向外悬挑，将斗栱置于其外端，增加了屋顶的面积；另一方面，增加了横向构件“枋”和斜向构件“叉手”，用来连接相邻的立柱，并形成了相对稳定的三角形结构。结构示意图与考古资料如下图所示。在中国力学史上，这一段时期并没有大的理论突破，因而这一技术革新并不是建立在理论指导的基础上的，而是仅按照经验予以改进。

图6. 连接立柱的枋

图7. 南北朝时期的梁枋与叉手

斗栱体系的第三个大进步发生在隋唐时期，是对此前“出跳”的改进。从现代力学的角度，出跳的构件属于一端固定的悬臂梁，这给立柱带来了较大的弯矩，不利于立柱的承重。因此，取消了此前出跳的做法，代之以新构件“华栱”和“昂”的组合做法。华栱借助杠杆原理，将出跳的方向由一向改为内外两向，抵消了不对称荷载在立柱上产生的弯矩。斜向构件“昂”则贯穿室内外，通过调整力臂的长度形成省力杠杆，进一步减小柱头弯矩。至此，中国木结构体系的核心——斗栱完全形成。典型斗栱的结构如下图所示。

图8. 宋《营造法式》中记载的一种斗栱做法

华栱和昂的出现同样具有理论基础，即杠杆原理。早在战国时期，《墨经》就认为：“则本短标长，两加焉，重相若，则标必下。”即向杠杆两侧施加相同的力，杠杆向力臂长的一侧偏移。这段总结略早于阿基米德的结论，但前者仅为定性，后者更加严密。和定性的杠杆原理相比，定量的杠杆原理直到南北朝时期才以不等臂秤的方式投入应用。[4]这一时间与昂的出现时间相仿，因此有理由认为定量杠杆原理催生了完全版本的斗栱结构。

唐以后的斗栱结构主要以构件尺寸上的优化为主，如规定构件的截面宽高比，尺寸模数化等，大幅度减少了用材量。由于宋代规定的木梁截面比例（3:2）介于18世纪Parent的计算结果（ ）和19世纪Young的结果（ ）之间，有研究据此认为，这些优化是基于成熟的力学计算的结果。这一结论并不可靠：查《清式营造则例》规定木梁截面比例为5:4，反而不及宋代合理，显然不是经力学计算得来的。作为对比，早在明代，《几何原本》、《远西奇器图说》等系统介绍西方数学、力学的书籍已出版，运用力学求解结构问题已经可行。因而，中国古代木结构的创新，特别是在明、清时期的创新，并未在严密的力学理论的指导下进行。

总体上看，东方古代木结构技术的发展是匀速的、渐进的，没有根本性的创新，这和其创新的理论依据是分不开的。它并未经过严密的科学理论的指导，而是更多依赖既有的工程经验，其结果是，一方面，技术的可靠性和稳定性极好，另一方面，技术的水平没有跨越性的提高。有趣的是，使用有限元法对斗栱结构的力学分析显示，其受力机理的复杂程度甚至超过很多现代结构。[6]

东方古代木结构技术是一个发展了三千年的黑箱。

2. 古代西方木结构体系与力学的发展

西方古建筑既是“石头的史诗”，也是“木头的史诗”，最经典的西方古建筑同时也是最经典的木结构建筑。著名的帕特农神庙在建成时，其屋顶是绘有彩画的木质屋架；2019年发生火灾的巴黎圣母院，被烧毁的也是两层楼高的木屋顶。

图9. 帕特农神庙复原图

和东方古建筑的“一家独大”相比，西方古建筑在形制、结构上更加多元，东欧地区用木材更多，西欧、南欧地区用石材更多。总体来说，在西方古建筑中，木结构的主要应用有三种情况：第一种是大型建筑，如教堂、宫殿和市政厅的木构屋顶；第二种是小型教堂、宫殿的主体结构；第三种是民宅的主体结构，即框架房屋。

最早出现的木结构是古希腊神殿的屋顶，这种屋顶属于檩屋顶（Purin roof），主要的结构构件是檩条，支承在下面的柱架上，是一种相对原始先期的屋顶，与我国古代的抬梁和穿斗屋顶类似。[7]檩屋顶的技术也被用作小型宫殿的主体结构，如大约建成于公元前6世纪的维克斯宫殿，长35米，宽21米，高12米。这一时期的木构件间的连接以简陋的榫卯结构为主。结构设计的理论基础是阿基
米德的杠杆原理：平衡条件下物体重量与距离成反比。

图10. 帕特农神庙和抬梁、穿斗式古建筑

图11. 维克斯宫殿复原示意图

公元前3世纪，罗马共和国发展出一套异于檩屋顶的新技术——弦屋顶（Spar roof）。工程师Vitruvius描述了这种结构形式：“两根相对的木料构成人字形，中间以横杆拉结。”从现代力学分析，这种结构使木料从受弯变为受压、拉，能够更好地利用杆件性能。当时已经会分辨受压和受拉杆件，并采用钉子加固的节点进行连接。[2]万神殿的入口就是用这种结构完成的（图12）。

图12. 万神殿入口屋架，跨度达到25米，形制已十分接近现代桁架结构

在弦屋顶体系中，涉及到非正交杆件间的角度计算，其理论基础是源自希腊的三角学。遗憾的是，这一先进的结构技术随着罗马的灭亡而基本失传。直到罗曼时代的中期，即12世纪，弦屋顶才重新出现。在意大利和拜占廷，弦屋顶的大体形制沿袭罗马时期的样式；而在欧洲的其他地区，早期的弦屋顶实际上是石质拱顶的简化，例如英格兰的曲木式结构（图13）。因此，它需要解决两个问题：第一，斜向传力带来的侧推力问题；第二，不同拱券间的横向连接问题。

图13. 曲木式结构，由弯曲的木梁组成

曲木式结构的跨度非常受限，而拜占庭式桁架的横向拉杆又阻挡视线。13~14世纪，为了提供没有横杆的大跨度空间，人们利用斜撑在上部相互交错形成剪刀型桁架，增加了杆件间连接点的数量，从而保证了整个拱架的稳定。（图14-1）剪刀型桁架的出现使得更高的屋架能够建成，这催生了竖向的传力拉杆；此外，更高挑的结构需要在侧向进行拉结，因而又催生了X形的侧向稳定构架。（图14-2）二者的结构作用与瓜柱、杪手类似。进一步地，为解决应力集中的问题，在杆件相交的位置添加斜撑，最终形成了完整的立凳式结构体系。（图14-3）

图14. 立凳式结构的发展过程

立凳式结构主要应用于德语区的建筑。15世纪，英格兰出现了托臂梁桁架，其受力机理类似于中国古建筑的“出跳”结构。至此，早期弦屋顶体系的发展已基本完善。由于这一时期的木构件连接的机制较为简单，因而没有过于复杂的节点，易于将建筑结构的工程经验转化为静力学理论。

另一方面，在正教国家，如俄罗斯等地，基于井干式木结构体系的教堂、宫殿也已走向成熟；但由于其结构效率较低，主要是保温考虑，因而不是最先进的结构方案，在此就不展开说明了。

文艺复兴时期是力学理论突飞猛进的一段时期，其中的图解法求解受力对建筑结构产生了革命性的影响。图解法的核心有三：力矢的图示，力的分解与合成和力平衡。荷兰人Simon Stevin曾在其1586年的著作《重力艺术的要素》中试图通过倾斜平面上的荷载试验，证明力分解与合成的平行四边形法则。[8]使用图解法计算出的结构体系，耗材更少，杆件之间的传力明确，基本都以受拉和受压为主，结构效率大为提高。1687年，Issac Newton发表《自然哲学的数学原理》，建立了系统性的力学体系，据此能够进行精确的结构计算；同一时期内，Jakob Bernoulli计算了悬臂梁的挠度曲线，并提出应力与应变的概念，据此能够进行简单的弹性力学计算。

17世纪之后，随着工业革命的开始，铸铁开始应用于木结构的连接件，并进一步逐渐替代木材作为桁架的主要材料，西方古代木结构开始向更加标准化、工业化的现代木结构转变。

总体上看，西方古代木结构技术的发展很早就达到了较高的水平，但经历了一次失传——再获得的过程，且在这一过程中经历多次大的革新，最终发展出多条技术路线。可以说，它的发展是变速的、多向的。西方木结构在发展的早期，已经有定量杠杆原理、三角学等可用的理论基础；中后期则有图解法受力分析。这使得结构体系的创新在大多数时期都建立在力学研究的基础上。不过，相对于斗栱的复杂程度，西方木结构在节点上的处理落后于东方木结构，这可能和其发展不连续有关。

参考文献

[1] 梁思成. 中国建筑史[J]. 2005.

[2] 郝春荣. 从中西木结构建筑发展看中国木结构建筑的前景[D]. 清华大学, 2004.

[3] 陈梦家. 西周铜器断代(二)[J]. 考古学报, 1955.

[4] 武际可. 力学史[M]. 重庆出版社, 2000.

[5] 赵均海. 中国古代木结构的结构特性研究[D]. 1998.

[6] 陈韦. 应县木塔斗栱力学性能及简化分析模型的研究[D]. 扬州大学, 2010.

[7] 刘妍，董书音.看不见的构架[EB/OL].https://www.douban.com/note/500937523/,2015-5-25.

[8] 孟宪川, 赵辰.图解静力学研究简史[J]. 建筑师, 2012.6.

部分插图来源

图1, 5, 7——刘敦桢. 中国古代建筑史[M]. 中国建筑工业出版社, 1984.

图3, 4, 6——https://www.zhihu.com/question/276438817/answer/389704983

图8——梁思成, 费慰梅, et al. 图像中国建筑史[M]. 百花文艺出版社, 2001.

图10, 14-2, 14-3——https://www.douban.com/note/500937523/

图12, 14-1——郝春荣. 从中西木结构建筑发展看中国木结构建筑的前景[D]. 清华大学, 2004.