古建筑营造技术对现代建筑设计的启示

古建筑营造技术对现代建筑设计的启示

建筑是人类社会文明的产物，反映着社会技术水平和民族文化自觉。建筑营造技术反映了一定社会时期的技术综合水平。我国古代建筑蕴含着很多先进思想和技术，其在建筑高度、跨度和强度方面体现的结构力学和材料科学水平。其中有值得进一步研究分析，并以现代建筑角度来审视和比较，以期对我国现代建筑规划设计工作有所启示。

1.结构技术措施

1.1整体刚度思想和技术探源

我国古代建筑匠师很早即开始木结构建筑高度技术的研究实践，主要体现在增加建筑结构刚度原理的理解和技术措施运用。如井干式建筑，在早期高层建筑建造中得到大量应用。井干式建筑是一种古老的结构形式，商代时即有井干结构墓葬。在汉朝出现了井干楼，张衡《西京赋》有“井干叠而百层”；《汉书?郊祀志》中记载“立神明台井干楼五十丈，辇道相属”等。井干式建筑实际属于木墙体承重结构，是将圆木或半圆木两端开凹槽，组合成平面为矩形的木框，层层相叠作为墙壁而成。井干式建筑耗材大，空间布局受限，应用不十分广泛，但其在我国古建筑技术发展中有着重要的意义，是实现高度技术的实践基础，体现了我国建筑匠师木结构建筑高度原理的认识水平。古人认识到，井干式建筑层层相叠、交叉闭合的木墙壁，具有较好的结构刚度，在水平荷载作用下起到整体抗侧力作用，具有抗水平推力强的特点，是高层建筑建造的关键因素。汉魏以降古代建造高屋楼阁，均基于增加结构侧向刚度和抗水平推力等井干式建筑的结构原理。

井干式结构原理的另一应用是层叠朽木。该结构是在纵横两个方向，穿插截面较小的密集横梁或横架，形成层叠的析木层。研究汉代遗留的石阙、画像砖中的建筑形态发现，当时的阙、塔结构中普遍存在这样的结构层（图1），实物如高颐阙、冯焕阙等留存（图2-图4），层叠柜的结构作用有二：一是起到兼具现代建筑中的钢筋混凝土楼板和圈梁的结构作用，目的是每隔一定高度设置刚度构件，加强高层结构整体稳定性和抗震性能，同时圆像砖可见，汉阙建筑的每层层整柜之间有斜撑联系，斜撑起到了增加建筑侧向刚度的作用，斜撑和层叠柜的配合作用，大大增加了高层建筑的稳定性（图5）；二是起到现代建筑结构转换层的作用。现代建筑中为实现上、下两部分不同结构体系的受力转换，或者实现上下承重构件的移位等，常需要使用结构转换层，具体常采用梁式、桁架式、箱形和板式转换层等。古人层叠析做法通过横竖交叉叠加而成的层叠桁木，可以进行上下层柱子移位和转换，实现灵活的布局，是一种十分先进的结构技术。大同云冈石窟21窟石雕塔柱中可以看到，上层柱采取叉立于层叠朽木层之上，生动反映了此种做法2＞。

图1 画像砖上的层叠枋（来源：网络）

图2 高颐阙显示的层叠枋木（来源：网络）

图3 渠县冯焕阙显示的层叠（来源：网络）

图4 渠县冯焕阙层叠枋木正面（来源：网络）

图5 画像砖显示的阙下部斜撑（来源：网络）

由于建筑技术的发展和建筑功能的变化，层叠枋在后期建筑中逐渐不存在，但遵循其功能原理层叠枋逐渐演变成为建筑其他形式，并有研究表明斗拱铺作与之联系等。

1.2刚度和稳定性技术的发展

（1）斜撑和圈梁

古建筑结构复杂部位，广泛使用斜撑作为加固构件，辽代应县木塔是典型的实例（图6）。木塔中有五个明层和四个暗层中有加固措施，使用了大量斜撑，斜撑与梁柱又组成类似平行桁架式的圈梁，增加了塔体的整体刚度和稳定性。同时部分楼层内槽柱子之间墙体内，也埋藏了斜撑，这样的结构形式使得木塔历经千年风雨而屹立。蓟县独乐寺观音阁也有斜撑的使用。在平座暗层部分，由于有较大的开口部位，为增强结构刚度，内外柱间使用了巨大的斜撑，上层柱间使用的斜撑，隐蔽在围护结构中。观音阁经受了多次大震考验，成为我国古建筑抗震技术的典范。

图6 应县木塔内部的斜撑（来源：网络）

使用类似现代建筑中的圈梁，也体现了整体结构刚度的意识。以抬梁式为例，木结构框架是一个整体，各榀梁架间外围由各类额枋、穿插枋相互拉结，形成圈梁的作用，提高整体刚度和稳定性，并有效的减轻基础不均匀沉降的破坏。除檐部出现圈梁外，营造法式中还有地栿制度，该做法在汉代即出现。地袱是设置在柱脚间的木材或石构件，贴地设置，使得各柱脚联系为一个整体，对防止柱脚走动，保证建筑整体性起重要作用，与现代建筑中使用的地梁相类似。另外，在义县奉国寺土墙下设低矮砖墙，砖墙上设与墙体通厚通长的木枋，在建筑的中部也起到了圈梁式的拉结作用。

（2）剪力墙

现代建筑中剪力墙的概念和技术在我国古代建筑中也有体现。应县木塔在内檐柱间以墙体填充，并于柱子相互拉结，大大提高了结构体系的抗水平侧推力，具有现代剪力墙的作用。后期历史上由于将局部墙体不当拆除，造成了塔体水平刚度发生变化，而这种变化也成为后期塔身扭曲倾斜的重要因素之一。

南方地区多见的穿斗式建筑山墙为密柱承檩，通过构件“穿”拉结的结构。而当密柱之间通过墙体填充，形成横墙时，实际上也起到类似现代剪力墙的作用，是一种现代剪力墙的雏形，形成的横墙有着良好的抗水平推力。因此穿斗式建筑可以形成较高的山墙墙面，适合在需要一定建筑高度，形成高深天井院落的建筑中使用，如南方徽居建筑等（图7）。大型徽居建筑层数可为3层，其形成的高大的山墙也构成了徽居建筑独特的建筑元素。

图7 徽居的高大山墙（来源：网络）

1.3其他结构技术

（1）人工地基处理技术

地基是建筑建造之本。我国古代建筑匠师十分重视对地基的人工处理，会根据土质具体情况，选择相应地基处理方法。古代人工地基大致有夯土地基、瓦渣地基、木桩灰土地基等。夯土地基在原始社会即出现，是早期建筑常用地基处理做法。半坡遗址即发现有夯土柱洞，偃师二里沟宫殿遗址有大面积的夯土地基。瓦渣地基类似于今天的“三合土”做法，是在黄土中使用碎砖、瓦石瓦砾等材料夯筑，强度较通常的夯土地基有显著提高，体现了古人增加地基强度意识。如南禅寺大殿地基是在黄土中渗入约1/3的瓦碴和碎砖，然后分层夯实。此外，还出现过用废碎铁渣来代替瓦碴的做法，如上海元代的真如寺大殿等。

古人还意识到了在土质松软地区，通过打入木桩，挤紧松土，改善软弱主的性质和地基承载力，承担上部高层建筑重量，这种技术颇类似于今天的CFG桩地基处理技术。CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩（cement flying-ash gravel pile），它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。如上海龙华塔建筑地面以下为每根为14X18的木桩，桩距80CM，木桩上为垫木，再上为方砖找平及台基，体现了成熟的地基处理能力。

（2）具有创新性的跨度技术

古代匠师基于木结构的材料性能特点和力学原理，创新性的探索木结构大跨结构，并在桥梁建筑中多有体现。如《清明上河图》中的虹桥（图8），即是我国古代大跨结构的典范。虹桥是单跨木拱桥，跨径近25米，五根拱骨互相搭交，拱骨之间以横梁相连接。虹桥不是弯曲简支梁，也不是简单的砌体拱，虹桥结构更接近三铰拱的原理，并因为其拱骨之间有连续的水平推力传递，还具有砌体拱的特征。因此，可以将其称之为一种“多铰拱”的结构，其中拱骨之间的“铰”为固定铰。由于存在水平推力，故拱各截面上的弯矩值，小于与同等跨度、荷载作用下的简支梁各对应截面上的弯矩值，因此，拱的优点是用料比梁节省而自重较轻，故能跨越较大的空间。虹桥拱的重要特点是，它没有采用传统砌体类材料，而是应用较短的木构件，通过固定铰接的方式，实现木结构建筑较长的跨距。这种桥身重量更轻，造型更加飘逸美观，堪称古代桥梁的典范。至今还在一些地区留存这种造桥技术实物，如泰顺廊桥等（图9、图10）。

图8 清明上河图的虹桥（来源：网络）

图9 泰顺廊桥（来源：网络）

图10 泰顺廊桥底部（来源：网络）

2.建筑材料技术措施

我国古建筑中的一个特点是对建筑材料的复合性应用，即根据各种建筑材料不同性能特点，共同作用，取长补短，实现更佳的材料力学性能。

2.1不同建筑材料之间的复合应用

泥土是古人建造房屋最先使用的支撑结构材料。但是，泥土质的墙体特性松软，经过夯实后可以耐压，但水平方向的抗剪、抗弯不足。在我国母系氏族时期，人们处理黄土等较为软弱的材料时，开始在墙体中加入延展性较好的材料，以有效加强墙体整体水平力学性能。如半坡遗址F37的木骨泥墙房屋，是由直径2-4厘米的木骨，在其上涂泥构成。到了汉代，古人还在夯土城墙的木骨之间增加横向的枝干和苇束，形成木质骨架网。义县奉国寺土坯墙中设有木骨四层。这些做法有效加强了墙体的性能，大大提高了墙体的高度和稳定性。

这种“加筋”技术思路与现代钢筋混凝土结构有着相同原理。混凝土中加入钢筋、钢筋网、钢板或纤维的组合材料，二者结合共同工作，充分取长补短，大大加强了建筑构件的承载力。有趣的是，远古时期木骨泥墙施工方法，即木柱为骨架，在其表面敷上几层厚厚的湿泥的做法，与现代建筑隔墙施工的常用的“钢板网抹灰类似技术”颇为类似。该技术是在首先绑扎或者预制钢筋网架上，由施工人员在其上多次涂抹水泥混合灰浆，水泥砂浆凝固后即成轻质隔墙。

木骨泥墙（图11）的出现，是中国古建筑发展的一个重要事件。木骨的出现，夯土墙的整体力学性能得以加强后，可以使得墙体作为一个支撑体分化出来，促进了建筑形式、使用功能和人类生活的一系列改变。同时，随着木骨泥墙中的木骨、横干逐渐演进，其结构作用不断变化，并与木结构柱承重体系的产生发展有一定的联系。

图11 半坡遗址木骨泥墙复原图

（来源：中国科学院自然科学史研究所主编，

中国古代建筑技术史[M]。北京：科学出版社，1985.10）

在砖石砌体结构建筑中也有对不同建筑材料的复合应用。我国古代匠师注意到了在砌体结构时抗剪抗弯不足的弱点，在砌体中常使用相应的拉结材料。如砖结构中每数皮放置竹篾、木棍等，增加墙体的拉结，增强稳定性。如同现代砌体建筑技术中常用的拉结筋、构造柱等技术，以起到了良好的整体性和抗震效果。

2.2对建筑原料的混合加工

为实现防止材料开裂、增加材料强度等效果，古代工匠们在生产制作建筑材料时，常将原材料按照一定的配合比，混合加工使用。如土楼等建筑的夯土外围护结构，体型巨大，建造时选择有粘性的土质，并掺入适量碎石、细沙和糯米汁等有机材料，以保证夯土不易开裂。还如许多地方土坯砖的的制作中，首先充分纯化粘土，排除有机物和腐殖质，再掺入细沙，并在土坯内加入木棍、稻草、竹筋等材料，这样的土坯砖经过晾晒固结后，坚固耐久，力学性能较好（图12、13）。

图12 山西某古建工地正在加工土坯砖（来源：网络）

图13 山西某古建工地制作的土坯砖（来源：网络）

混合加工材料使用还体现在建筑其他部位。如地面夯实填充的三合土，由粘土、细沙、石灰组成，其坚实程度高、防水特点显著。在南北朝时已经应用三合土，如南京西善桥南朝大墓等。实践证明还有由石灰、粘土按照体积比3：7配比的“三七灰上”，充分发挥了石灰遇水受潮后的水硬性固结作用，大大提高夯实粘土的密实性、防水性和耐久性，至今在现代建筑领域这些技术仍旧广泛应用。

胶结材料是用于粘接砌体的建筑材料，是实现砌体结构建筑整体结构力学性能的重要因素。宋以前，建筑用胶结材料多为粘土。为提高胶凝材料的力学性能，我国古代匠师尝试在胶泥中使用添加剂，并在实践中确定了理想的配比。其中石灰胶泥即石灰加黄土或砂的混合砂浆，使用广泛。早期的石灰胶泥为石灰与黄土组成，在大石砌筑时掺入大骨料，同时也发展了掺入有机质的石灰胶泥，如油脂、糯米汁、血料等，有憎水性、强度高、耐久性强等特点。古代石灰胶泥的还应用于粉刷，为提高粉刷墙面的稳定性，防止龟裂，粉刷用石灰胶泥多掺杂其他纤维物质，如麻刀、纸筋等。同时，在石灰粉刷工程中应用砚类物质，起到了保持石灰的早期强度，增加洁白效果的作用6）。

综上，我国古代建筑营造技术中反映出对建筑材料、结构科学高度的认识水平，其中一些建造技术影响至今。在现代建筑视角下对其研究分析，对传承和保护传统营造技术，促进现代建筑技术的发展有着积极意义。