故宮（明清時(shí)期稱為紫禁城）擁有世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最完整的古建筑群。作為我國木構(gòu)古建的典型代表，故宮古建筑的構(gòu)造具有普遍性的意義。而其構(gòu)造的主要特點(diǎn)之一，就是木構(gòu)件之間采用榫卯節(jié)點(diǎn)的連接方式。所謂榫卯，即兩個(gè)相互連接的構(gòu)件，其中一個(gè)構(gòu)件端部做成榫頭形式，插入另一個(gè)構(gòu)件預(yù)留的卯口中。榫卯節(jié)點(diǎn)具有重要的科學(xué)、技術(shù)及文化價(jià)值。相應(yīng)的，部分學(xué)者亦圍繞榫卯節(jié)點(diǎn)開展了學(xué)術(shù)研究，近年來的主要成果有：周乾等基于擬靜力和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法，討論了傳統(tǒng)鐵件材料及CFRP布(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固明清官式木構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震效果，并提出了一種改進(jìn)的鐵件加固榫卯節(jié)點(diǎn)的方法。楊娜等基于彈性力學(xué)的半逆解法，在均布荷載作用下的簡支木梁、鉸接木梁和固接木梁解答的基礎(chǔ)之上，結(jié)合榫卯節(jié)點(diǎn)半剛性連接的特點(diǎn)，通過引入兩個(gè)表示半剛性的參數(shù)，得到了榫卯連接木梁內(nèi)應(yīng)力分布的多項(xiàng)式解答。LI等基于擬靜力試驗(yàn)方法，對(duì)某宋代古建筑的1:2縮尺比例模型進(jìn)行了抗震性能研究，認(rèn)為榫卯連接方式使得結(jié)構(gòu)有很好的變形恢復(fù)能力。薛建陽等基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法，對(duì)我國川西地區(qū)穿斗式木結(jié)構(gòu)古建筑抗震性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為榫卯節(jié)點(diǎn)的擠壓摩擦和拔榫特性，使其在地震作用下具有較強(qiáng)的耗能減震能力。上述成果為本研究提供了良好的基礎(chǔ)。

從已有成果來看，現(xiàn)有關(guān)于榫卯節(jié)點(diǎn)的研究，側(cè)重于節(jié)點(diǎn)本身的力學(xué)性能及加固技術(shù)。然而，榫卯節(jié)點(diǎn)作為我國古建筑特有的連接方式，其從設(shè)計(jì)到安裝、從使用技術(shù)到建筑美學(xué)等諸多方面都蘊(yùn)含著我國古代工匠的聰明才智，而上述相關(guān)內(nèi)容的研究則相對(duì)很少?；诖耍狙芯恳怨蕦m古建筑立柱與水平向的梁（枋）連接的榫卯節(jié)點(diǎn)為例，基于科學(xué)分析與工程實(shí)踐相結(jié)合的方法，探討我國木構(gòu)古建筑中榫卯節(jié)點(diǎn)運(yùn)用的技術(shù)智慧，為我國木構(gòu)古建筑的保護(hù)和修繕提供參考。

1設(shè)計(jì)智慧

故宮古建筑梁柱連接所用榫卯節(jié)點(diǎn)，其類型豐富，主要有燕尾榫、饅頭榫、箍頭榫、透榫、半榫等。各種榫卯節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)，均巧妙地滿足了建筑構(gòu)件的使用、安裝等功能等需求，體現(xiàn)了古代工匠的智慧。

(1)燕尾榫：是故宮古建筑最常用的榫卯節(jié)點(diǎn)形式，通常用于間互為拉扯關(guān)系的柱梁（枋）位置，如圖1所示太和殿前檐柱與額枋連接處的榫卯節(jié)點(diǎn)。這種類型的榫卯節(jié)點(diǎn)特征為：位于額枋端部的榫頭被加工成燕尾形式，而位于柱頂?shù)拿谙鄳?yīng)做成了同樣形狀、尺寸的凹口形式。燕尾榫榫頭、卯口及安裝方法示意見圖2。其主要作用在于，額枋由上至下插入柱頂后，由于榫頭截面前大后小，因而不易從卯口拔出，形成了可靠的連接。

圖1故宮太和殿前檐柱-額枋燕尾榫節(jié)點(diǎn)

圖2燕尾榫卯節(jié)點(diǎn)示意圖

(2)饅頭榫：用于柱頭與梁頭垂直相交位置的相互連接，如圖3所示故宮軍機(jī)處前檐柱與抱頭梁連接處的榫卯節(jié)點(diǎn)。其主要作用在于，通過梁頭傳來的上部較大的作用力來與柱子搭扣密實(shí)，并避免柱子在水平向產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)。饅頭榫的構(gòu)造做法為：在柱頂做出凸出的饅頭狀榫頭，在梁頭底部對(duì)應(yīng)位置刻出相應(yīng)尺寸卯口（稱為海眼），見圖4。

圖3 故宮軍機(jī)處前檐柱-抱頭梁饅頭榫節(jié)點(diǎn)

圖4 饅頭榫

(3)箍頭榫：用于建筑轉(zhuǎn)角部位，其特點(diǎn)為水平向的兩根枋正交，而后同時(shí)插入柱頂?shù)氖中蚊趦?nèi)，如圖5所示故宮古華軒在建筑轉(zhuǎn)角位置所用的榫卯節(jié)點(diǎn)。箍頭榫在進(jìn)行連接時(shí)，由于是水平正交方向的兩根枋同時(shí)與柱子搭接，因而首先相將兩根枋本身互為榫卯，互相卡扣；然后將搭扣好的節(jié)點(diǎn)再形成“榫頭”形式，與柱頂十字形卯口做成榫卯卡扣形式。為美觀起見，古華軒箍頭榫的端部做成優(yōu)美曲線形式，稱為“霸王拳”（小式建筑做成三岔頭形式）。榫頭榫安裝示意如圖6。箍頭榫的枋與枋、枋與柱“卡扣”互為榫卯，其外觀還做成漂亮的霸王拳形式，不僅在力學(xué)上很強(qiáng)的拉接力，有利于保護(hù)柱頭，并且還起到優(yōu)美的裝飾效果，體現(xiàn)了古代工匠的智慧。

圖5故宮古華軒轉(zhuǎn)角位置的箍頭榫節(jié)點(diǎn)

圖6 箍頭榫

(4)透榫：即榫頭穿透柱身截面的連接做法，常用于需要拉結(jié)，但由于古建筑木構(gòu)件構(gòu)造做法原因，又無法用上起下落的方法進(jìn)行安裝的部位。如圖7所示故宮軍機(jī)處前檐柱與穿插枋的連接即為透榫做法。透榫的榫頭一般做成大進(jìn)小出的樣式，這種樣式的特點(diǎn)在于，榫頭的穿入柱身部分，其高度與枋的高度相同；而榫頭穿出柱身后，其多出的部分，則按穿入部分的截面尺寸減半進(jìn)行處理。透榫的榫頭形式不僅美觀，而且還能夠減輕榫頭對(duì)柱身截面的破壞。透榫的安裝方式為榫頭水平向插入卯口，見圖8所示。

圖7故宮軍機(jī)處前檐柱-穿插枋透榫節(jié)點(diǎn)

圖8 透榫

(5)半榫：用于建筑物中部的柱子，這種柱子將梁架分為前后兩段。由于兩邊的梁架都必須與柱子相交，因而其榫頭做成了半榫形式。如圖9所示的故宮后右門中柱與梁的連接，即為半榫做法。相對(duì)于其它形式的榫卯節(jié)點(diǎn)而言，半榫節(jié)點(diǎn)的拉結(jié)作用比較差，很容易出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象使得結(jié)構(gòu)松散。為解決這個(gè)問題，古代工匠有在梁下面安裝替木的做法，見圖10。替木穿過柱截面，頂部做出2個(gè)銷子與梁底拉結(jié)，以增加梁和柱的接觸面，并提高榫頭與卯口之間的拉結(jié)力。

圖9故宮后右門中柱-梁半榫節(jié)點(diǎn)

圖10 半榫帶替木安裝方法

2安裝智慧

故宮古建筑梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)的安裝，體現(xiàn)了古代工匠的智慧。以圖1-圖2所示具有代表性的太和殿燕尾榫節(jié)點(diǎn)為例，對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)安裝的智慧技術(shù)進(jìn)行說明。

太和殿前檐柱與額枋的連接做成燕尾形式，且安裝方向?yàn)橛缮贤逻M(jìn)行。一方面，其體現(xiàn)了燕尾榫形式的智慧之道。從平面形狀來看，燕尾榫頭非矩形，其特點(diǎn)是根部（榫頭后尾）窄、端部（榫頭前部）寬，這種做法在古建領(lǐng)域被稱為“乍”；從立面形狀來看，燕尾榫榫頭亦非矩形，其下部窄、上部寬，這種做法在古建領(lǐng)域被稱為“溜”。燕尾榫的“乍”，使得榫頭插入卯口后，就不容易從卯口水平向拔出。其原因在于，榫頭從卯口水平往外拔出過程中，榫頭的豎向截面面積越往外越大，榫頭與卯口之間就擠得更緊密，所需水平外力就越大，因此，燕尾榫節(jié)點(diǎn)不容易產(chǎn)生水平拔榫。燕尾榫的“溜”，使得燕尾榫在從上往下安裝過程中，越往下其水平截面面積越大，榫頭與卯口的擠得就更加緊密，所需豎向外力就越大，因而榫頭與卯口在豎向連接牢固。燕尾榫的“乍”和“溜”做法，有利地保障了榫頭與卯口之間的可靠連接，有利于木構(gòu)架的穩(wěn)定，體現(xiàn)了古代工匠的智慧。

另一方面，這也體現(xiàn)了燕尾榫安裝方法的智慧之道。由圖2不難發(fā)現(xiàn)，燕尾榫的安裝方式是由上向下進(jìn)行的。紫禁城古建筑施工工序，首先是立柱，然后再安裝梁枋，最后再上瓦砌墻。梁枋端部做成燕尾榫榫頭形式，豎向方向安裝，有利于燕尾榫頭與卯口在上下向的擠緊，而且安裝后的榫頭也不容易從卯口拔出。不僅如此，這種安裝方式，還有利于柱子的定位。因?yàn)橐坏┧椒较虬惭b梁枋，需要立柱錯(cuò)位來騰讓安裝空間。同時(shí)，燕尾榫榫頭水平向插入卯口，還會(huì)破壞卯口的初始截面尺寸，影響榫卯節(jié)點(diǎn)的拉接功能?？梢哉J(rèn)為，上下向安裝燕尾榫榫頭，是適應(yīng)這種榫卯節(jié)點(diǎn)類型的安裝方式，不僅有利于節(jié)點(diǎn)本身的穩(wěn)固，對(duì)木構(gòu)架整體的擾動(dòng)也減小到最少。

另榫卯節(jié)點(diǎn)的連接方式有利于紫禁城整體的營建。我國古代工匠巧妙地利用了木材易加工、重量輕的特點(diǎn)，將這些構(gòu)木構(gòu)件預(yù)先加工好，避免了對(duì)木材進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剔、鑿、刨等工序造成的雜亂環(huán)境。而柱、梁枋在現(xiàn)場(chǎng)只需安裝即可，有利于快速施工。實(shí)際上紫禁城古建筑含有房屋1000余座9000多間，其真正現(xiàn)場(chǎng)營建只用了3年。榫卯連接的方式不僅有利于快速施工，而且榫頭與卯口之間精確的尺寸咬合使得構(gòu)件不易產(chǎn)生錯(cuò)位。由此可知，柱與梁枋的榫卯連接可營造快速、高效、優(yōu)質(zhì)的施工環(huán)境和營建效果，體現(xiàn)了古代工匠的智慧。

此外，圖1所示榫卯節(jié)點(diǎn)位置還運(yùn)用有雀替，其亦體現(xiàn)了古代工匠的智慧。雀替是一個(gè)木塊，其從柱頂伸出來，與柱子共同支撐額枋。之所以稱為“雀替”，主要原因在于其外形像鳥雀的翅膀。雀替在北魏時(shí)期就出現(xiàn)了，其外形由簡單的長方形木塊演變?yōu)榫哂袧夂袼囆g(shù)特色的曲線木雕。不僅如此，雀替的力學(xué)功能也非常明顯：它可以輔助柱子，共同支撐額枋傳來的豎向力；它縮短了額枋的跨度，減小了額枋的豎向變形量。當(dāng)然，雀替最重要的作用在于，它增大了榫卯節(jié)點(diǎn)位置的截面面積，減小了豎向靜力作用下榫頭產(chǎn)生剪切破壞的可能性；它限制了額枋端部榫頭繞柱頂卯口的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，增強(qiáng)了榫卯節(jié)點(diǎn)的整體性，有利于提高木構(gòu)架的穩(wěn)定性。此外，與原始四邊形立面形狀相比，雀替演化成三角形的立面形狀并不會(huì)導(dǎo)致其受力性能降低。

3抗震智慧

榫卯節(jié)點(diǎn)優(yōu)秀的抗震性能是故宮古建筑木構(gòu)件的重要結(jié)構(gòu)特性之一，也是我國木結(jié)構(gòu)古建筑的智慧體現(xiàn)方式之一。從連接方式來講，榫頭與卯口的連接屬于半剛接[9]。所謂“半剛接”，即節(jié)點(diǎn)不能像鉸球一樣隨意轉(zhuǎn)動(dòng)（鉸接），也不像固定的剛架一樣完全無法轉(zhuǎn)動(dòng)（剛接），而是介于鉸球和剛架之間的一種連接方式，其特征為可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但受到一定限制。這種連接特征是非常有利于古建筑抗震的。因?yàn)檫@樣一來，有限的轉(zhuǎn)動(dòng)能力有利于減小梁柱構(gòu)架的晃動(dòng)幅度。不僅如此，榫卯連接可耗散部分地震能量。基于能量守恒原理，地震能量傳到古建筑木構(gòu)架上，部分轉(zhuǎn)化為木構(gòu)架的變形能（構(gòu)架變形），部分為構(gòu)架的內(nèi)能（內(nèi)力破壞），還有部分轉(zhuǎn)化為構(gòu)架的動(dòng)能（榫頭與卯口的相對(duì)運(yùn)動(dòng)）。這有助于減小建筑整體的破壞。

作者開展了榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)，較為細(xì)致地探討了榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能。研究表明：地震作用下，柱頂?shù)拿谂c梁枋端部的榫頭之間產(chǎn)生摩擦和擠壓，并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)包括相對(duì)滑移（圖11）和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)（圖12）。柱腳抬升時(shí)，柱身產(chǎn)生傾斜，與額枋產(chǎn)生相對(duì)變形，榫頭與卯口之間產(chǎn)生相對(duì)擠緊運(yùn)動(dòng)，并隨著柱腳抬升幅度增大而表現(xiàn)明顯；柱腳復(fù)位時(shí)，榫頭與卯口之間產(chǎn)生相對(duì)拔出運(yùn)動(dòng)，并逐漸恢復(fù)到初始位置附近，榫頭與卯口之間則會(huì)因?yàn)榈卣鹆ψ饔迷蚨a(chǎn)生拔榫，但始終保持連接狀態(tài)。隨著柱架的搖擺，柱頂榫卯節(jié)點(diǎn)不斷進(jìn)行擠緊—拔出的開合運(yùn)動(dòng)，且由于榫卯節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，其間亦耗散了較為可觀地震能量，有利于減小結(jié)構(gòu)的震害。

圖11榫卯的相對(duì)滑移

圖12榫卯滑移伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)

需要說明的是，地震作用下，榫頭與卯口之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有時(shí)不能正常復(fù)位，稱為拔榫。拔榫非脫榫，也就是說，榫頭具有一定的長度，即使其在卯口中不能完全恢復(fù)到初始位置，但是因?yàn)槠浔旧碛幸欢ǖ拈L度，因而仍能搭接在卯口上，使得榫卯節(jié)點(diǎn)本身并不受到很嚴(yán)重的破壞，在震后稍加修復(fù)即可正常使用。這就是我們看到很多古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拔榫，但木構(gòu)架本身仍保持完好的原因。從這個(gè)角度講，也體現(xiàn)了古代工匠的智慧。

此外，作為榫卯節(jié)點(diǎn)的輔助構(gòu)件，雀替的抗震作用亦不可忽視。雀替的存在加強(qiáng)了木構(gòu)架受力變形過程中結(jié)構(gòu)的整體性，增大了榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，加固了梁柱節(jié)點(diǎn)。雀替可提高榫卯節(jié)點(diǎn)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，其幅度達(dá)61%；且在雀替與枋脫離前，可提高節(jié)點(diǎn)的耗散地震能量的能力。

4美學(xué)智慧

故宮古建筑梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用，亦體現(xiàn)了古代工匠的美學(xué)智慧。故宮古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)形式豐富，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同部位的安裝、受力需求，采取不同形式的榫卯節(jié)點(diǎn)，不僅滿足了建筑使用需求，其外觀也體現(xiàn)了營造技藝之美。作為具有東方特色的古建筑營建方式，紫禁城古代工匠利用獨(dú)特的一凹一凸連接方法，極為復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)外在表現(xiàn)得簡約古樸，而其中卻透露出工匠豐富的靈感和智慧?？梢哉J(rèn)為，榫卯連接是故宮古建筑藝術(shù)和技術(shù)的融合，并表現(xiàn)出故宮古建筑非凡的使用價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。不僅如此，榫卯節(jié)點(diǎn)的美學(xué)智慧還表現(xiàn)出我國傳統(tǒng)文化中的“和諧”思想。這種和諧，寓意化異為同，化矛盾為統(tǒng)一。榫頭與卯口的應(yīng)用，從材質(zhì)、使用功能、結(jié)構(gòu)受力需求、建筑外觀審美等多個(gè)角度，都體現(xiàn)著和諧與契合。故宮古建筑運(yùn)用的榫卯節(jié)點(diǎn)，其榫頭與卯口之間的結(jié)合或分離，楔入或穿插，都在故宮古建筑的藝術(shù)中被賦予了極為豐富的和諧內(nèi)涵。這種內(nèi)涵既體現(xiàn)在建筑本身中，而且還存在于哲學(xué)文化的層面，因而可以認(rèn)為是一種智慧思想的體現(xiàn)。

5結(jié)論

(1)適應(yīng)于構(gòu)件在古建筑不同部位的功能需要，故宮古建筑用于梁柱（枋）連接的榫卯節(jié)點(diǎn)主要有燕尾榫、饅頭榫、箍頭榫、透榫、半榫等。

(2)不同類型的榫卯節(jié)點(diǎn)在安裝技術(shù)上可滿足建筑的快速施工及建筑本身的穩(wěn)固需求。

(3)榫卯節(jié)點(diǎn)在地震作用下可通過節(jié)點(diǎn)本身的運(yùn)動(dòng)來耗散地震能量、減輕結(jié)構(gòu)破壞，而節(jié)點(diǎn)的拔榫不會(huì)造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。

(4)榫卯節(jié)點(diǎn)的外觀簡潔而富有藝術(shù)效果。

(5)故宮古建筑中榫卯節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用從設(shè)計(jì)、安裝、使用、外觀等方面體現(xiàn)了古代工匠的智慧。

author：故宮古建文化漫談

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