2柱式的结构

    2.1长细比

    柱是一种压杆,主要承受沿柱长度方向的轴向力。西方古典柱式均为石材,对于岩石强度,其抗压强度值达到要求。因此,石柱压杆设计,主要考虑稳定问题。从西方古典柱式的柱身长细比观察,塔司干柱式为6,多立克为7,爱奥尼为8,科林斯和组合柱式均为8.3,由材料力学可知,当石材的长细比λ≤8时,φ值接近于1。这说明当时的希腊和罗马人已经认识到了正确使用石材做柱的力学道理。而且,在力求使整个柱型纤巧秀美中,有意识加高了柱头的比例,确保了柱身长度在合乎力学规律的限度之内。

    相比之下,中国古代柱式为木质材料,其长细比在唐宋时期一般在9∶1或8∶1,明清时期为10∶1。这种长细比对于木柱来说,几乎可以不考虑“失稳”因素,从而达到较合理地利用材料特性的目的。显然对中国古代来说,并无事先根据稳定理论来校核木柱,人们完全是根据材料的实际状态和审美需求来建造房屋,达到了力学与美学的统一。

    那么,几乎从同样力学的限制使长细比控制在λ≤10,何以使西方柱式比中国古代柱式显得粗壮呢?一方面是材质的选用,石材的风格本身就赋予了柱式以刚劲;另一方面在于柱身表面的处理,西方古石柱均在柱身表面刻有20多道尖齿或平齿凹圆槽,不同的槽形使柱式刚柔有别,但在力度上都有充分的表现。

    2.2柱身的收分

    柱子的收分是视觉的需要,它可以使柱子更显挺拔稳健,加上柱础的盘托显得安定有力。中国柱式的收分(卷杀)从柱子的2/3开始,而西方柱式一般从1/3开始,其中的力学依据就在于石柱的容重远远大于木柱,而收分由下往上,对于柱身的压应力而言是一致的,从而使应力分布与柱形达到协同。帕提农神庙共有50根陶立克式柱,高约104ｍ,底径19ｍ,柱顶直径14ｍ,柱身分五段,石料加工成5个圆鼓型,每个圆鼓的底平面中央凿一个凸,顶平面中央凿一个凹,即由5个圆柱体叠成柱身。这种处理方法一方面有利于安装,另一方面可以使柱身在石鼓的结合平面内增加抵抗一定的水平剪力,比如地震力。从收分的功能看,它有效地降低了每段石鼓的压应力。

    2.3柱础

    柱础的作用决不仅仅是使视觉安定。在现代钢筋混凝土时代,各式高大建筑的柱子均没有考虑这种视觉效果上的柱础,人们仍不怀疑这建筑的安定性,但取而代之的是要求更为严格的基础,并要求基础底面积满足要求。无论中西方,古代人们对底面积的大小都是不断总结积累的。最早式的陶立克没有柱础,柱根直接坐入地面。木柱结构显然不能这样,必须使用柱础承担隔潮的功能。

    中国柱式则对柱础的尺寸作了精确规定:“其方倍柱之径,方一尺四寸以下者,每方一尺,厚八寸;方三尺以上者,厚减方之半;方四尺以上者,以厚三尺为率。若造覆盆,每方一尺,覆盆高一寸;每覆盆高一寸,盆唇厚一分,如仰覆莲花,高加覆盆一倍”。此外,对柱础下的台基也作了具体的要求。在古代穿斗式列柱作法中,柱脚下用连续的长石条承托叫做连磉,连磉高约一尺宽或六七寸不等,它是这种穿斗式列柱所特有的东西。在连磉的上面柱脚下,贯穿枋一条称地脚枋,地脚枋高约四五寸,厚可三寸。这些规定,都反映了人们对基础面积Ａ的领悟和体验,尽管他们并没有清晰地把它表达出来。古代在对柱础的处理上一方面为严格、慎重,另一方面又将人们的审美要求融入制作工艺,有效地提高了结构的稳定性。为此,即使木构架建筑的经历年限远不及砖石结构的长,但制作精良,用料考究的房子仍可保持二三百年。

    2.4柱头

    在中国的传统的木结构建筑中,柱子的顶部是由枋檩联系,其力学性能相当于梁,檩直接承受屋面传来的垂直荷载,枋使柱之间纵横向连接形成稳定的结构体。这种结构的基本出发点是满足受力的要求,同时精密的造型又起着装饰效果。对于石柱结构,柱头的处理有更多的讲究,它是区别不同风格柱式的主要标志。柱头直接与梁相接,其功能要求在于有效传递梁端荷载。柱头的形状,从古埃及早期的石柱可知,以正梯形到伞状的纸莎草蓬头的倒梯形有一个过程,最后形成古希腊、古罗马的通行柱式。这种演变实际上也伴随着屋架由木向石构的变化,至科林斯柱式,其柱头像覆钟。就梁柱的受力关系分析,简支结构的梁柱,适当增大支撑截面,对于均匀地将梁部荷载传递到柱子,提高柱身的稳定性更为有利,同时符合柱对梁体的支撑力的扩散作用力场的分布,并有利于减缓梁底面的拉应力分布。但是受石材性能的影响,石柱子的扩张尺寸不宜过大,否则自身平衡会受影响,且对支撑作用改善不大。

    2.5侧脚与生起

    19世纪,人们对帕提农神庙进行详细测绘时发现,整个结构几乎没有一根直线,每个局部都是凸曲的,这使人们在观察它的外形时,不会因直线产生错觉而影响对它和谐与完善的感受。角柱的柱头均稍稍内倾,并非笔直状态。而这种立柱方法在中国古典柱式中同样有明确要求。它们所要起的作用在于使各柱之间达到几何不变体系的稳定关系。此外,按李诫的《营造法式》规定,有“角柱生起之制,十一间生高一尺,九间生高八寸,七间生高六寸,五间生高四寸,三间生高二寸。”[sup][2][/sup]中间为平柱,角柱比平柱高,为生起角柱。生起的作用,一方面从外观上看使梁呈凹曲形,两端翅起向外沿伸,扩大了空间感;而另一方面就结构而言,增强了整体的结构稳定性,与侧脚相配合,使梁柱体系更稳固。

    2.6材料选择

    中国古建筑中一般为木构架,发挥木料轻质、高强多功能的优良特性,而西方古典建筑则以石制梁结构为基本构件,或者说古希腊建筑就已完成了木构体系向石构体系的过渡,这其中包括了自然资源因素及人文社会因素的影响。石材抗压强度较好,但抗拉强度较差,而木材正好与之相反。作为房屋的构件,柱是一种受压为主的构件,所以用花岗石作柱是非常合理的选择,相比之下,木材作为立柱其受压性能就要差很多。正因为此,才有人称“巨石柱子是世界各民族共同使用的建筑语言”。

    3结束语

    纵观中西方古典建筑中柱式的形成和发展,可以强烈地感受到技术与艺术的完美结合。建筑是一种艺术,古典柱式创造的美是结构美、技术美与雕塑美的共同体现,失去结构意义的形式美对于建筑来说是没有生命力的。充分展现建筑材料的特性,探索现代建筑材料的艺术表现力与结构逻辑,这应该是人们从古典柱式研究中得到的基本启示。

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