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紫禁城古建木柱的穩定智慧——側腳、收分與生起

一側角

所謂側腳,就是古建築最外圈的柱子(簷柱)頂部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。宋《營造法式》卷五《大木作制度二·柱》規定:“凡立柱,並令柱首微收向內,柱腳微出向外,謂之側腳。每屋正面,謂柱首東西相向者,隨柱之長,每一尺,即側腳一分;若側面,謂柱首南北相向者,每長一尺,側腳八厘;至角柱,其首相向,各依本法,如長短不定,隨此加減”。這句話規定了每間房屋在正面(長度方向),柱身側腳尺寸為柱高的1/100(柱底往外掰出1/100柱高的尺寸);在側面(寬度方向),柱身側腳尺寸為柱高的8/1000;在角柱位置,則兩個方向同時按上述尺寸規定側腳。紫禁城古建築普通立柱的安裝都是柱身垂直立於柱頂石上,而簷柱的安裝則不同,按照側腳做法,形成“八字”狀,見圖1-圖3。

側腳做法,不但使整個建築物顯得更加莊重、沉穩而有力,而且體現了一定力學智慧。由圖3不難看出,側腳使得古建築的柱架體系由直立的平行四邊形(矩形)變成了“八”字形。由於古建築的柱子與梁是通過榫卯方式連接的,即柱頂做成卯口形式,梁端做成榫頭形式,插入柱頂預留的卯口中。在發生地震、大風等自然災害時,立柱與梁之間的榫卯連接使得彼此之間產生相對晃動。對於未設側腳的“平行四邊形”體系而言,其在水準外力作用下不斷往複搖擺,很容易產生失穩破壞。而這種“平行四邊形”的連接體系,在物理學上可稱為“瞬間失穩體系”。對於設定側腳的“八字形”體系而言,而側腳之後柱與柱的延長線會相交於一點,形成虛“交點”,而整個體系則猶如一個三角形。其在水準外力作用下的晃動受阻,該阻力由側腳的柱身提供。且側腳使得柱頂的卯口與梁端的榫頭擠緊,增強了榫卯節點的受力性能。在物理學上,該“八字形”體系可稱為“三角形穩定體系”。

收分

紫禁城古建築圓形的立柱,其上下兩端的直徑是不相等的,從柱底到柱頂,其截面尺寸逐漸減小,這種做法稱為“收分”或“收溜”,見圖4。一般而言,對於不含鬥拱的建築(小式建築),柱頂截面直徑收分尺寸為柱高的1/100;對於含鬥拱建築,柱頂截面直徑收分尺寸為柱高的7/1000(馬炳堅:《中國古建築木作營造技術》,北京:科學出版社,1991年:第4頁)。

柱頂收分由柱頂卷殺演變而來。“卷殺”是將木構件或部位的端部做成緩和的曲線或折線形式,使構件或部位的外觀顯得豐滿柔和,見圖5。宋《營造法式》卷五《大木作制度二·柱》規定:“凡殺梭柱之法……又量柱頭四分,緊殺如覆盆樣,令柱項與護鬥底相副”。這段話的大概意思是,對柱子進行卷殺時,對柱頭位置取四分的長度(約1.2厘米)進行緊殺,砍削去柱頭上不承載枦鬥(即鬥拱的底部)壓力的邊沿部分,使其形狀如覆盆。卷殺後的柱頭與下部柱身的收分相配合,具有穩定、圓和、柔美之感。元、明以前,大木構件的卷殺做法很普遍,宋代《營造法式》中更是規定了各類木構件卷殺的具體位置和尺寸,但是隨著朝代不斷的前進,這種做法逐漸簡化並演變為收分為主的形式(卓媛媛:《故宮長春宮大木結構特點初步分析》,《故宮學刊》2015年第2期,第312-322頁)。分析認為,明清時期隨著柱頭之上平板枋的出現,柱頭櫨鬥由原來的直接坐在柱頭之上改為坐在平板枋上,平板枋之上再為櫨鬥。從此柱頭與櫨鬥不再接觸,因而原來為了使柱頭柔和過渡到櫨鬥的“緊殺如覆盆”之做法便失去了意義,同時下端亦不再卷殺。相應的,柱頭演化成收分做法,即將柱子加工成上粗下細之形狀,比直柱優美,且穩定又輕巧(李合群,李麗:《試論中國古代建築中的梭柱》,《四川建築科學研究》2014年第5期,第243-245頁)。紫禁城古建築的部分立柱柱頭的收分做法,仍含有卷殺成分,如長春宮、保和殿(王文濤:《保和殿建築結構及形製探究》,《中國紫禁城學會論文集第八輯(上)》,北京:故宮出版社,2014年)、慈寧宮(圖6)等。

收分對古建築整體穩定性的有利影響。柱子的主要作用是承擔上部鬥拱傳來的作用力,並將其傳給下部基礎。柱頂收分的優點在於,可以減小柱頂的截面尺寸,使得該尺寸盡可能與柱頂上部的構件截面吻合。這樣的話,上部作用力的合力中心傳到柱頂時,能夠基本上與柱身中心線重合,有利於荷載傳到地面,並減小了柱頂產生偏心彎矩的可能性。而柱頂偏心彎矩造成的破壞表現為柱身的歪閃,且在地震或大風作用時表現明顯。由此可知,收分做法亦為古代工匠智慧的體現。

生起

在紫禁城古建築的正立面上,每個開間的柱高並不相同,而是自正中間的簷柱向兩側的角柱逐漸增高,這就是柱的“生起”。宋《營造法式》卷五《大木作制度二·柱》規定:“凡用柱之製,……至角則隨間數生起角柱。”又對生起的尺寸做了具體規定:“若十三間殿堂,則角柱比平柱生高一尺二寸;十一間生高一尺;九間生高八寸;七間生高六寸;五間生高四寸;三間生高二寸”。在明清時期,1寸=3.2厘米,1尺=10寸(馬炳堅:《中國古建築木作營造技術》,北京:科學出版社,1991年:第3頁)。另我國古建築房屋的間數一般為單數,即一、三、五、七、九。以三開間古建築為例,生起做法的示意圖見圖7所示。柱“生起”做法在宋代建築較為普遍,明代減少,清代《工程做法則例》則無“生起”之製(鄭連章:《紫禁城鍾粹宮建造年代考實》,《故宮博物院院刊》1984年第4期,第58-67頁)。紫禁城部分明代建築如神武門(圖8)、鍾粹宮均有生起做法。

紫禁城古建立柱的“生起”做法,不但使得古建築本身在立面上有中間向兩邊上揚的優美的弧形曲線效果,而且在保證建築的穩定性方面,也體現了古人的智慧。一方面,生起做法使得古建築整體呈“凹”字形,其重心位置比不考慮生起構造要降低。低矮的重心有利於減小建築在水準地震作用下的搖晃幅度,提高建築整體的穩定性。另一方面,生起構造使得柱與梁(額枋)並非為純粹的豎向與水準搭接,而是有一定的傾斜角度,使得柱頭的卯口與梁端的榫頭保持擠進狀態,有利於提高榫卯節點的抗彎和抗側移性能(周乾:《故宮神武門防震構造研究》,《工程抗震與加固改造》2007年第6期,第91-98頁)。

《故宮古建文化漫談》作者:周乾

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