建筑风格中蕴含的科学密码

苗若玖

从“作庙翼翼”到“檐牙高啄”

“缩板以载，作庙翼翼。”这出自《诗经·大雅》中《緜》一诗，描述周代的人们建造宗庙的盛况，可见在当年，传统的中国式建筑已经颇具规模。无论是故宫、颐和园那样雄伟的皇家建筑群，还是老北京恬静的四合院，抑或深山中的寺庙宫观和江南婉约的私家园林，都有着从3000多年前一路传承下来，让人一眼便可认出的“中国风”。它们往往有曲线优美的屋顶，像鸟翼一般舒展，呈现出木结构独有的魅力。晚唐文学大家杜牧在其代表作《阿房宫赋》里，对中国建筑风格极尽溢美之词：“廊腰缦回，檐牙高啄;各抱地势，钩心斗角”，阿房宫的壮美跃然纸上。

事实上，中国传统建筑最鲜明的风格之一，或许就是兼顾实用和礼数的屋顶体系。根据不同的屋顶式样，人们可以很容易地了解房屋的大体用途，或者说它们（及其主人）在城市中的“等级”。而在屋顶内部，精致的榫卯结构，让木制构件彼此结合，无需钉子或粘合剂，也同样坚固耐用。

从实用的角度来看，中国式大屋顶也是科学的设计。以木材构造房屋主体结构的建筑模式，意味着防腐是建筑者必须解决的问题。因此，中国古代建筑拥有了独特的大屋顶设计，这样的屋顶不仅笼盖了屋身，挑出较远的屋檐，也会对墙体、（木制）门窗和夯土台基起到一定的保护作用，同时也消除了大屋顶给人们的压抑感。屋顶四面的屋檐，配合交错相扣摆放的圆弧状瓦片，可以让雨水由拱起的瓦片流到下凹的瓦中，从而被导到屋檐的边缘流到地下，保证了房屋本身的干燥。因此，尽管中国传统建筑随着时间的流逝而分成了多个“流派”，但大屋顶仍然标示着它们“出自同门”的“血统”。

四合院背后的管理科学

除了标志性的大屋顶，中国传统建筑中的瑰宝，还有令人印象深刻的北京四合院，它充分反映出元明两代建筑管理科学的成就。

元灭金战争之后，位于今天北京城南部的原金中都迅速衰败，新建的元大都因而成了“白纸上画出来”的城市，拥有先规划再建设的优势。当年的城市设计者选择了《周礼·考工记》中给出的“棋盘式”建城方案，先规划贯通城市的主干道，再规划与它们平行或垂直的不同等级的道路，最后根据基本一样的图纸，用一个个院落迅速“填充”被道路分割而成的地块，打造一座模块化的城市。明初营建北京城时，也采取了类似的策略，将整座城市当成巨型四合院来设计。紫禁城是北京城里最大的四合院，也相当于北京城这座四合院的内院。而在城市的其他区域，不同等级的四合院成为贵族、各级官员和平民等不同级别的人员的居所，城市结构同样是模块化的。

“棋盘式”的建城方案，让人们不易迷路，而这种安全感又被四合院本身的规制所强化。四合院分为内院和外院，只要关闭大门，路人就不可能看到院内的情况;即使有宾客来访，大多也只能停留在外院。于是，四合院最大限度地保证了居住者的私密空间。

但对于居住在四合院里的人来说，他们的居所又为他们提供了颇为宜居的环境。在几乎没有公园，只有皇家园林的古代北京，四合院就如同一个个自给自足的“生活单元”，不仅满足了人们居住和饮食的需要，也满足了人们观看绿色植物和鸟、鱼等宠物放松心情的精神需求。更重要的是，四合院内院的四面房门都开向院落，这就为居住在院内的一家人创造了大量交流的机会，使几代人之间保持着浓厚的感情，也让北京城的氛围变得安详起来。

知识链接 “唐风”影响下的日本古建筑

基于日本列岛盛产木材的特点，日本人喜欢建造通透轻盈而且工期较短的木构架房屋。隋唐时期中国的建筑风格在中日交往中被日本引进，极大地改进了公元1世纪基本成型的日本传统木建筑风格，使日本建筑也采用中国式的梁柱结构，甚至也有斗拱;但日本建筑同样也保持着自身特色—尤其重视并擅长呈现材料、构造和功能性因素的天然丽质。

木结构建筑因为“以柔克刚”而利于抗震，能够适应日本列岛多地震的环境;但因为木材易燃，如果房屋过于密集，也容易成为火灾的温床。从17世纪初到19世纪中期的德川幕府统治时期，江户（今天的东京）因为要优先保证武士和僧侣的用地需求，使町人（平民）居住区极端拥挤，时常发生火灾，以至于在日本有“火灾与斗殴是江户之花”的自嘲性说法。日本的城市消防体系，也在木建筑与火灾的“斗法”中逐渐发展起来。

雪域高原上的建筑奇迹

在被称为“世界屋脊”的青藏高原上，高海拔环境塑造了这里的建筑风格。西藏首府拉萨的海拔已经高达3650米，是典型的高原城市;而比拉萨海拔更高、空气更稀薄的城镇，在西藏也有不少，珠穆朗玛峰附近的绒布寺甚至位于海拔5100多米的地方，被认为是世界上海拔最高的宗教建筑群和居民点。

青藏高原由于高海拔而寒冷，也比较缺乏采暖所需的燃料，但又因为空气稀薄使得日照更为强烈。在这样的条件下，房屋的光照就成为温暖的关键。为了拥有更好的光照条件，绝大部分传统的西藏建筑，都会采用南向建筑，而且尽可能避免纵向尺寸大于横向的房屋设计，减小房屋进深（与房间的主采光面垂直方向的深度）。而且，传统的民居建筑通常不会超过3层楼，彼此间尽量避免相互遮挡，以最大限度地获取阳光，即使在严冬也不会让室温过低。

出于保温的需要，传统西藏建筑的窗户尺寸都比较小。窗户黑色的边框，民间传说取法自象征吉祥的牦牛头，但也因为黑色吸热而无形中增强了房屋的取暖能力。如果建筑物不止一面开窗，那么朝南的窗户通常会相对放大一些，在接收阳光和保暖之间寻求平衡。有一些比较重要的建筑，还可能会在东南方设置“拐角窗”，由此利用初升太阳的光芒，以求尽快度过最为难熬的黎明。

尽管环境艰难，西藏建筑仍然形成了别具一格的美感。特殊的地理位置和佛教文化的影响，使相当多的建筑融合了中原地区、西藏本地，以及与中国相邻的尼泊尔、印度等国的建筑风格，成为喜马拉雅山脉两侧文明交往的见证。坐落于拉萨市中心，拥有1300多年历史的大昭寺即是如此。

位于市区西北玛布日山上的布达拉宫，更是集宫殿、城堡和寺院于一体的西藏建筑瑰宝。由于需要承担重要的宗教和政治职能，布达拉宫修建得极为坚固。它的整体为石木结构，宫殿外墙厚达2～5米，基础直接埋入岩层，墙身全部用花岗岩砌筑，高达数十米。为了进一步加固墙体，一部分墙内还被灌注了铁汁。在寒冷而缺乏氧气的青藏高原上完成如此伟大的工程，其艰辛是难以想象的。也正因如此，布达拉宫被认为是雪域高原上的建筑奇迹，成为拉萨乃至西藏的象征。

沙漠绿洲别样建筑风情

沙漠中星星点点的绿洲，同样孕育着适应这一环境的文明。几千年来，不同的文明在沙漠中谱写了种种建筑史上的传奇：金字塔、亚历山大灯塔，还有后来居上的阿拉伯建筑。

随着伊斯兰文明的兴起，阿拉伯人在公元7世纪形成了统一的国家，为阿拉伯科学的诞生奠定了基础。公元751年怛罗斯战役之后，阿拉伯人学到了中国造纸术，极大地方便了书籍的著述、抄写与文化的传播。在吸收了储存于波斯的古希腊人的科学著述，并汲取了古印度科技成果的基础上，阿拉伯科学体系逐渐发展起来，于此后的几个世纪，在医学、物理学、数学、天文学等领域，都取得了出色的成就，阿拉伯建筑也得益于科技特别是数学的发展而大放异彩。

由于伊斯兰教禁止崇拜偶像，因此传统的阿拉伯建筑，通常会以复杂的几何分形图案、艺术字体和书本形状的设计元素来进行装饰。这样的设计思路，让阿拉伯建筑既令人着迷又引人深思，在庄重和变化之间形成出色的平衡。而想要做出这样的设计并将其付诸实施，显然有赖于数学的支持。

时至今日，我们仍然可以在西亚、北非和中亚的很多清真寺，以及其他一些地标建筑上，看到复杂而精致的几何图案装饰。沙特阿拉伯的麦加禁寺（大清真寺）、麦地那先知寺，以及伊朗的伊斯法罕清真大寺，都是这种建筑风格的代表。而在中国和西欧等地，也有不少采用阿拉伯建筑风格的清真寺，以及其他一些地标建筑物，呈现出浓郁的中东风情。

阿拉伯人的科技成就，不仅体现在建筑物的装饰设计方面。沙漠地区水源极为珍贵，这让人们喜爱郁郁葱葱，充满生命气息的园林。在建造园林时，阿拉伯人充分发挥科技手段，特别重视对水的运用和控制。封闭式的建筑群与特殊的节水灌溉系统相结合，在沙海里难得的绿洲之中，打造了由人造水体、凉亭和人工栽种植物组成的美丽花园，成为引人入胜的安逸所在。

知识链接 地窝堡机场的独特含义

新疆首府乌鲁木齐的机场名叫“地窝堡国际机场”，而“地窝堡”这个名字，就记录了这座沙漠城市的郊区曾有不少“地窝子”的历史。所谓“地窝子”，是一种在沙漠化地区比较简陋的民居，其主体是一个深约一米的坑，四周用土坯或砖瓦垒起半米高的矮墙，房顶用草叶、泥巴和树枝等物混合构成。这种半地下式的原始建筑，却可以有效抵御沙漠附近常见的风沙，并且冬暖夏凉，只是通风条件比较差。如今，这样的居所在乌鲁木齐已经基本消失。但机场独特的名字，保留了这座城市艰苦奋斗的印记。

砖石建筑营造欧式浪漫

从南欧的雅典和罗马，到西欧的巴黎和巴塞罗那，许许多多的欧洲城市，都洋溢着“浪漫”的气场。前往这些城市的游客们，往往会为城市中古老而华丽的砖石建筑而倾倒。

欧洲式建筑的历史，可以追溯到古希腊时代。从那时起，欧洲大型建筑就开启了使用砖石建构的定例。古希腊人的审美观，让建筑的外观简洁大方，有着极具冲击力的明快线条。而古希腊人的数学成就，也影响到建筑的设计与建造。黄金分割率的引入，让建筑具有了视觉上的和谐;尺规作图“三大不可能问题”中的“倍立方问题”，也就是用尺规作图的方法作一个立方体，使它的体积是已知立方体体积的两倍，传说也源自于一项神庙改建工程。如今，位于雅典市中心卫城山丘上的雅典卫城，被认为是古希腊建筑水平的代表。虽然它的一部分建筑在历史上遭到破坏，但幸存至今的部分，仍然能让人感受到当年的壮美。

古罗马人继承了古希腊人的建筑设计思路，并在其基础上加以改进，创造出立柱同拱券的组合，让建筑结构拥有更好的承重能力。位于意大利罗马市中心的万神殿，以及分布在西欧各地的剧场和引水渠遗迹，都宣示着这项创新的生命力。然而，随着罗马帝国走向衰落，特别是公元476年西罗马帝国灭亡，一部分古罗马的建筑知识逐渐散佚甚至失传。漫长的混乱年月之后，在公元10世纪，欧洲效法昔日罗马建筑的“罗马风建筑”逐渐定型。此后，哥特式建筑、文艺复兴建筑、巴洛克风格建筑与洛可可风格建筑各领风骚，在砖石建筑这条主线之上加以创新，营造出一脉相承、绵延至今的欧洲式建筑文化。

或许是出于对古希腊科学与理性传统的珍视，在走出西罗马灭亡后的“黑暗时代”，重新恢复秩序之后，欧洲人致力于将先进的科研成果与建筑物相结合，以达到更好的使用体验和艺术效果。

比如说，在哥特式建筑兴盛的时代，彩色玻璃被大量引入，成为兼具艺术和实用的装饰物。12～13世纪修建的巴黎圣母院，作为欧洲早期哥特式建筑的代表作，精致的彩色玻璃“玫瑰窗”不仅代表着当年的建筑师对用光的探索，也因其华美而成为教堂的重要“标签”。而在巴黎的国立中世纪博物馆里，也有很多来自被拆解教堂的玻璃画，让人们得以回望当年充满虔诚气场的欧洲社会风尚。

巴黎郊外的凡尔赛宫，是摒弃了当年流行的巴洛克风格，回归古典主义风格的建筑物。它的标志性房间“镜厅”，则与17世纪法国在光学领域的研究成果密切相关。在那个电灯远未发明的时代，让皇家舞会会场兼顾容量和亮度，是一项很难完成的任务。为了满足法国“太阳王”路易十四心目中的“极致奢华”，法国建筑师朱尔斯·阿杜安·芒萨尔（小芒萨尔）运用当时前沿的光学理论，设计了别出心裁的“镜厅”。厅内长廊的一侧，是17扇朝花园而开的巨大拱形窗门;另一侧则是由483块镜片镶嵌而成的17面落地镜。这些镜子与拱形窗门一一对应，把窗门外的蓝天、景物完全映照出来。同时，厅内3排挂烛上的32座多支烛台，以及8座可插150支蜡烛的高烛台所点燃的蜡烛，也经镜面反射，形成约3000烛光（物理单位）的亮度，把整个大厅映照得金碧辉煌。即使在今天，镜厅也仍然是凡尔赛宫最为闪耀的瑰宝。

拓荒与探险，木屋做前哨

在中国式建筑、欧洲式建筑和阿拉伯（伊斯兰）建筑这3大体系之外，世界上还有一些建筑，似乎不属于它们当中的任何一个。这些建筑中的典型代表，便是看似平淡无奇，却最为质朴实用，在人们探险、拓荒时提供贴心帮助的木屋。

美国西部片的场景，通常是由若干木屋组成的沙漠小镇。这些简陋却实用，而且易于搭建的房舍，却是美国历史上一个重要时期的真实写照。如果说19世纪的美国拓荒者钟爱木屋，并将其传承至今，更多是因为木屋易于搭建而且冬暖夏凉;那么北极圈内的居民选择木屋，就更多是为了适应极地的严酷环境。

在欧亚大陆和北美洲北部，位于北极圈以北的居民点比比皆是，有一些甚至发展为相当规模的城市。极地的严苛环境，要求这些城市的建筑必须既能保暖，又可以抵御环境的侵蚀，这使不易导热又能适应剧烈温差变化的木材，成为很多早期极地建筑的首选材料。在位于北纬69度，被誉为“北极之门”的挪威特罗姆瑟，拥有100多年历史的木造建筑比比皆是。地球上最接近北极的城市，北纬77度的挪威朗伊尔城，也拥有大量的木屋。

这些外表看似朴拙的木屋，却有着最适合极地环境的特质。为了避免人类活动过多影响永久冻土层，人们还会在地上挖洞，在洞中嵌入没有经过加工的木桩，并将水灌进去，而后再将混凝土支柱连在木桩上。这样的地基设计，使建筑物的地板与冻土层隔离，不会因为建筑物取暖融化冻土，导致沉降。