结构榫卯结构——古代木匠的乐高玩具

相信一定有不少朋友玩过乐高，一块块小小的积木可以搭出各式各样不同的物件，例如汽车，飞机，城堡等，甚至在上海的一家乐高主题店，还有上海地标性的东方明珠电视塔模型和世博中国馆中华艺术宫模型。这些模型栩栩如生，惟妙惟肖，让人惊艳。

东方明珠电视塔模型

那么这些积木是如何搭出两层楼高的东方明珠电视塔呢？乐高的积木有两个基本组成部分——上部的突点和内部的孔。与之类似的是中国的榫卯结构。但两者不同在于乐高积木靠的的是两个部件之间基于摩擦力的紧密连接，而榫卯结构则是通过榫和卯咬合，起到连接作用，更为繁复精致。下面就让小编具体介绍下榫卯结构。

榫卯是在两个木构件上所采用的一种凹凸结合的连接方式。凸出部分叫榫（或榫头）；凹进部分叫卯（或榫眼、榫槽），榫和卯咬合，起到连接作用。榫卯结构是榫和卯的结合，是木件之间多与少、高与低、长与短之间的巧妙组合，可有效地限制木件向各个方向的扭动。最基本的榫卯结构由两个构件组成，其中一个的榫头插入另一个的卯眼中，使两个构件连接并固定。榫头伸入卯眼的部分被称为榫舌，其余部分则称作榫肩。

榫卯

榫卯结构最神奇的在于它不废一钉一胶，却能让建筑牢固。因此榫卯结构广泛用于建筑， 其中的代表作有紫禁城；天坛祈年殿；大观园；山西悬空寺，应县木塔等。

祈年殿是天坛的主体建筑，又称祈谷殿，是明清两代皇帝孟春祈谷之所。祈年殿为砖木结构，殿高38米，直径32米，三层重檐向上逐层收缩作伞状。建筑独特，无大梁长檩及铁钉，二十八根楠木巨柱环绕排列，支撑着殿顶的重量。

祈年殿木柱对比示意| 制图@张靖/可视化星球

木柱由内而外分三圈排列最内圈的4根钻金柱高度近20m，象征一年四季春、夏、秋、冬；内圈之外的12根柱子被称为金柱, 象征一年十二个月；最外圈较小的12根木柱则被称为檐柱象征一天十二个时辰。金柱和檐柱相加的二十四根，象征一年二十四个节气。

祈年殿额枋图解| 制图@张靖/可视化星球

木柱与木柱之间有额枋相连接以防止木柱东倒西歪。

祈年殿斗拱等级差别| 制图@张靖/可视化星球

斗拱起到结构衔接的作用。

悬空寺呈“一院两楼”般布局，总长约32米，楼阁殿宇40间。南北两座雄伟的三檐歇山顶高楼好似凌空相望，悬挂在刀劈般的悬崖峭壁上，三面的环廊合抱，六座殿阁相互交叉，栈道飞架，各个相连，高低错落。

全寺初看去只有十几根大约碗口粗的木柱支撑，最高处距地面50来米。其中的力学原理是半插横梁为基础，借助岩石的托扶，回廊栏杆、上下梁柱左右紧密相连形成了一整个木质框架式结构，也增加了抗震度。

这些木材超过2/3的长度深入山体，以岩石平台为支点，每根可以承受数吨的重量，“挂钩”便制作完成了。

而“挂钩”本身也颇为奇妙，它选用质地坚硬的铁杉木并且用桐油长时间浸泡防腐防潮最神奇的是木材的一头预先打上了楔子当这些木材插入石孔楔子便会将木材撑开恰好卡在内大外小的石孔内等同于现代的“膨胀螺钉”。

横梁上设立柱，立柱上再搭梁、枋，利用中国传统的榫卯梁架组合将建筑材料拼接为一体（榫卯梁架组装示意，制图@张靖/星球研究所）。

悬空寺的选址之险，建筑之奇，结构之巧，丰富的内涵，堪称世界一绝。它不但是中华民族的国宝，也是人类的珍贵文化遗产。英国的一位建筑学家写道：“中国的悬空寺把力学、美学和宗教融合为一体，做到尽善尽美，这样奇特的艺术，在世界上是罕见的，通过这次参观游览，才真正看到这个古老民族的灿烂文化艺术和文明历史。悬空寺不仅是中国人民的骄傲，也是世界人民的骄傲”。

应县木塔是中国现存最高最古的且唯一一座木构塔式建筑。2016年，释迦塔获吉尼斯世界纪录认定，为世界最高的木塔。

中国工程院院士叶可明和江欢成认为，保证木塔千年不倒的原因首先从结构力学的理论上来看，木塔的结构非常科学合理，卯榫结合，刚柔相济，这种刚柔结合的特点有着巨大的耗能作用，这种耗能减震作用的设计，甚至超过现代建筑学的科技水平。

木塔是采用两个内外相套的八角形，将木塔平面分为内外槽两部分。内槽供奉佛像，外槽供人员活动。内外槽之间又分别有地袱、栏额、普柏枋和梁、枋等纵向横向相连接，构成了一个刚性很强的双层套桶式结构。这样，就大大增强了木塔的抗倒伏性能。

木塔外观为五层，而实际为九层。每两层之间都设有一个暗层。这个暗层从外看是装饰性很强的斗拱平座结构，从内看却是坚固刚强的结构层，建筑处理极为巧妙。在历代的加固过程中，又在暗层内非常科学地增加了许多弦向和经向斜撑，组成了类似于现代的框架构层。这个结构层具有较好的力学性能。有了这四道圈梁，木塔的强度和抗震性能也就大大增强了。

斗拱是中国古代建筑所特有的结构形式，靠它将梁、枋、柱连接成一体。由于斗拱之间不是刚性连接，所以在受到大风地震等水平力作用时，木材之间产生一定的位移和摩擦，从而可吸收和损耗部分能量，起到了调整变形的作用。除此之外，木塔内外槽的平座斗拱与梁枋等组成的结构层，使内外两圈结合为一个刚性整体。这样，一柔一刚便增强了木塔的抗震能力。

木塔基土主要由粘土及砂类组成，工程地质条件非常好，其承载力远大于木塔付与的荷载。所以，直到现在仍然不必担心木塔会有因“底虚”而倾倒的可能。

参考文献：

1. 榫卯结构 - 百度百科

2. 天坛是如何建成的？

3. 1500年前，中国人如何建起这座空中楼阁？

4. 山西悬空寺 - 百度百科

5. 应县木塔 - 百度百科