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榫卯结构的力学原理

作者:百木一青 发布时间:2017-01-13
新中式家具品牌

  先来说说榫卯结构在木质家具使用中所体现出的力学原理。中国古代木匠制作家具不仅讲究外形美观,而且讲究其内在的科学合理性。他们没有学过结构力学,但是在天长日久的实践中,练就了通过目测就能大致判断每块木头所受到的承受力的技巧,而这种基本的力学分析正是实现家具结实耐用性的重要前提。在日常经验的基础上,工匠们打造出各种不同的榫卯结构,设计出花样繁多的外观造型。

  凸出的榫头和凹进去的卯眼通过凹凸扣合,便紧紧咬合在一起。为了保证接口不会在木头长期热胀冷缩的过程中松动,工匠们会从不同的角度、方位让一根木头和其他木头通过榫卯结构相连接,这样接口处木头涨缩的作用力就会相互抵消。此外,一些家具的外部造型设计还会进一步保证它在使用中的力学合理性。

  半叶梅花凳

  以半叶梅花凳为例,凳面设计采用自然中的梅花叶瓣,三根腿柱明榫相接,从上到下由细变粗。三角形的腿柱在设计中,和其他形状相比,在物理力学上可以降低重心,大大提高稳定性。有趣之处在于连接腿部的三根横杖,每根横杖端头跟腿柱做明榫相交,而端尾跟另一跟横杖2/3处做明榫相交,三根横杖环环相套,在腿部重心形成三角形支点图案,不仅视觉上美观大方,在力学上也非常科学合理。此外,等边三角形各内角60度,这种结构所创造的稳定性,使凳子在受到压力时,力会均匀地从腿柱分散到横杖上,然后横杖对腿柱又起到反作用力。

  再说到木构建筑所应用的结构力学就更为典型,它们启用更复杂的榫卯组合结构,使得结构之间力的相互作用更为平衡与和谐。

  抬梁式建筑——佛光寺大殿,位于中国科技馆一层华夏之光展厅

  从佛光寺大殿的半剖模型照片可以看出,它采用的是地上立柱,柱上架梁枋,梁枋上建屋顶。顶部重量就由梁枋到柱,再由柱到地面,所以建筑中的墙壁只是起到隔断作用而不承重。由于木结构各个构件之间的榫卯连接富有韧性,所以即便墙倒也能“屋不塌”。

  山西应县木塔,位于中国科技馆一层华夏之光展厅。应县木塔历

  经千年的四季变化、风霜侵袭和多达十几次的地震,至今屹立不倒

  走近现代的榫卯结构

  上海世博会中国馆——东方之冠

  2010年2月8日,上海世博会中国馆——“东方之冠”落成。在国家馆的设计中使用了传统建筑斗拱榫卯结构,中国传统的斗拱曲线被拉直,这种简约化的装饰线条,完成了传统建筑的当代表达。

  中国科技馆新馆外观示意图

  想不到吧,中国科技馆新馆也是榫卯结构的!新馆的建筑主体是一个外形酷似鲁班锁的单体正方形。它结合了中国古代的科学思想和现代科技馆的特点,借助结构力学把若干个积木般的不规则的立体相互连接、咬合在一起,使整个建筑呈现出一个巨大的鲁班锁造型。

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