抗震特性视角下中西古建筑中木质构件的美学研究―以“榫卯”工艺和“庞巴尔笼”结构为例

武汉工程大学艺术设计学院 刘庆秋 高英强（通信作者）

1 “榫卯”和“庞巴尔笼”的研究背景

1.1 “榫卯”和“庞巴尔笼”的诞生

1.1.1 “榫卯”的诞生

榫卯在古代被称作柄凿，明周祈《名义考》卷四载：“伊川语录云：衲凿者榫卯也……今俗犹云公母榫。”[1]七千多年前新石器时代河姆渡文化遗址的发现，证实这一时期华夏先民就已经设计并使用了“榫卯结构”，并建造出了中国最古老的木质干栏式建筑。这体现了中国传统建筑的本质，即将木头作为主要的建筑材料，各建筑构件之间利用其本身创造的榫卯进行连接，充分利用木头其本身的柔性弹力。因此，中国传统的木质建筑十分坚固。

中国榫卯木结构的发展模式是：简支架到框架，再到桁架。简架支撑结构是一种结构极其不稳定的木质结构，当其受外力作用时，会产生形变甚至倒塌，这时框架结构运应而生。但此时的框架由于只是在原来简架的基础上加入了榫结，只能当做铰结，离稳定形式还有一定的差距，在此基础上又加入斜撑进行加固。铰结加入斜撑后，才正式形成木桁架，这时的木结构才是稳定的[2]。如蓟县独乐寺的观音阁、应县木塔等的结构，也是添加了斜撑，属于桁架结构，历经千年，多次地震，仍然“屹然壁立”。作为中国木构文化起源的榫卯，其不仅在中国古代建筑领域有着重大影响，更是对中国传统家具的发展起到了重大作用。

1.1.2 “庞巴尔笼”的诞生

不同于中国在河姆渡文化时期就已经应用的木质榫卯结构，“庞巴尔笼”的产生更具有突发性。1755年11月1日葡萄牙发生了地震，震源地为距葡萄牙首都里斯本几十公里处的大西洋海底，其破坏性极强，引起近30米高的海啸，使邻近的里斯本海岸和本城受到重大破坏。为了尽快恢复重建城市，葡萄牙国王任命才能出众的庞巴尔侯爵担任重建工作的总指挥。重建首都期间，庞巴尔侯爵发现了许多隐患，为此，聘请大量的专业工程师对城市进行整体规划和设计。为了市民有避难场所和减轻交通压力兴修了新的市中心、大量的广场，以及宽阔的道路。新修建的建筑都有一个特点，即采用了“Gaiola Gombalina”（庞巴尔笼），这是一种对称的木结构框架，在整栋建筑中起到“骨骼”的作用。因其是庞巴尔侯爵主持设计的，且形似鸟笼，被人们称之为“庞巴尔笼”。

1.2 “榫卯”和“庞巴尔笼”的抗震原理

1.2.1 “榫卯”的抗震原理

中国木结构建筑又可称为柔性建筑，因其具有柔性木质结构，这里的“柔”性指的是木构件在使用过程中所呈现出来的弹性特征，这种弹性可以对能量进行抵消。同时，木质材料属于一种质地较轻且均匀的纤维质感，还具有抗压、耐拉的特征，因此造就了木构件本身就能在形变的过程中对能量进行散发释放的巨大优势。榫卯是一种对木质构件进行凿补，使其呈现出凹凸的形态，并将其进行连接的一种方式。其中凸为“榫”，凹为“卯”，榫卯相交，进而连接。凸出的榫头和凹进去的卯眼通过凹凸扣合，紧紧咬合在一起[2]。为防止木头在自然环境中受热胀冷缩导致接口松动，工匠从多个角度让一根木头和其他木头通过榫卯结构相连接，从而使接口入木头的膨胀和收缩产生的作用力相互抵消，通过相对位移，摩擦消耗能量，一层层传递到建筑底部承重结构时动力就衰减了，从而起到抗震的效果。

1.2.2 “庞巴尔笼”的抗震原理

“庞巴尔笼”是一种防震木质对称结构框架（如图1），在里斯本大地震后，其广泛运用于建筑结构中。在此之前，欧洲的主流建筑材料为大理石等石质建材，但在地震面前，石质材料的缺点暴露出来，石材质地较脆，柔韧性、延展性较差，遇到重大外力时极易断裂，因此抗震性能不强。工程师发现与石质材料相比，木质材料不仅易切割，质地较轻且伸缩性大，能够在地震中有效分散震能，进而减轻地震破坏。“庞巴尔笼”是先用木头梁、木头柱搭成整体形状为立方体的木质框架，再在框架对角处加入木头斜撑，形成“鸟笼”之势，最后在笼子的外围填充砖头，由此形成牢固的外墙，如图2所示。“庞巴尔笼”式木结构将整栋建筑，即墙体、天花板连接成为一个整体，从而使其更加坚固，其抗震的原理类似于现在建筑中的圈梁和构造柱，提高砌体结构的延性和抗侧移能力，形成塑性铰来消耗掉一部分地震能量[3]，将房屋墙体和构造柱紧紧的“箍”在一起，对房屋的空间刚度和整体性起到增强的效果，从而保护框架柱这个竖向构件不受外力的破坏，尽可能减少因地震导致的地基不均匀沉降引起的墙体开裂，从而达到建筑物在地震时不坍塌的目的。

图1 “庞巴尔笼”结构的3D建模

图2 “庞巴尔笼”墙面填充

2 “榫卯”和“庞巴尔笼”的发展现状

2.1 “榫卯”的发展现状

“榫卯”从最开始应用于建筑上到被广泛地应用于家具的结构及造型上，自南北朝后经历了千余年的传承与创新。比如，明清家具上的“牙角”就是由建筑结构中的“雀替”演变而来。雀替在宋朝时被称为“绰幕”记录于《营造法式》，清式木构中才被称为“雀替”。雀替本来是用于立柱顶端与之共同承重的木构，元代之前绰幕构件多用于建筑的内檐，元以后，特别是清代其普遍见于外间额枋下，造型上也越来越复杂。宋代时，夹头榫桌案被广泛地使用。在宋代和明代的绘画作品中，也常常能见到这种结构的桌案。如今，榫卯的结构美学依然被中国人续写。如上海世博会的中国馆被誉为“东方之冠”，是中国文化与气质的体现，其采用“榫卯”工艺和斗拱这一结构技艺作为造型特征。

2.2 “庞巴尔笼”的发展现状

“庞巴尔笼”是一种混合木材砖石结构，最初的建造目标是用于承受水平地震荷载，由木地板组成及改进的混合木砌体剪力墙。尽管其结构质量优良，但是随着时间的推移，其结构会发生有害的改变，除了木材的自然老化，还有一个重大的缺点就是不防火。根据实例记载，初期确实对抵御地震侵袭起到了积极的作用，但在此后一段时间后，庞巴尔笼式建筑因经常发生火灾后逐渐被整改演变成为一种庞巴林风格。庞巴林式风格建筑物之间的隔墙为中墙（如图3），从一楼到阁楼的更高部分没有任何开口，在整个墙面的平均厚度0.5米，其不仅具有分隔建筑物的功能，而且主要用于构成阻燃元件。庞巴林式风格建筑在当时是一项伟大的创新，因为没有其他欧洲城市能如此，即便是最容易发生自然灾害的城市，如果实施了标准化系统，也可以改善之前“庞巴尔笼”结构的弊端。

图3 隔墙

3 “榫卯”和“庞巴尔笼”的美学价值

3.1 “榫卯”的美学价值

中国古代的榫卯结构种类繁多，在实践发展的过程中越来越丰富，创造了很多奇特的形式。根据固定的作用大致可分为三个大的类型：固定垂直构件，如用于固定柱脚的管脚榫，用于增强结构稳定性的瓜柱柱脚半榫等；固定水平构件，如用于方形构件的十字搭脚的十字刻半榫，用于保护柱头的箍头榫等；连接水平和垂直构件，如用于排山梁与山柱相交处的半榫。多种多样的榫卯构件通过不同的拼接为中国古代建筑形态美学的发展起到了举足轻重的作用。

3.1.1 对称之美

回看中国建筑的发展史，南北对称分布是其主要的形态特征，如故宫的三大殿，同时建筑内部的摆设和结构也呈现出南北对称排列的特点[5]。榫卯结构中成对出现的轴对称结构同样沿袭了中国建筑带给人的严谨庄重之感，在建筑本身的对称结构下，呈现出小结构的对称延续，更是与建筑本体形成和谐统一的整体效果，给人以沉稳舒适之感，也体现出了中国传统的规矩之美。从著名建筑家梁思成和林徽因等人找到的中国现存的唐代建筑―佛光寺就可以看出（如图4），不论是从建筑的整体性出发，还是就斗拱这一榫卯木质结构而言，都体现了中国人对于对称美学的追求与品味。

图4 佛光寺门匾

3.1.2 结构之美

榫卯结构广泛应用于古代建筑和古典家具中，呈现出多种多样的特点，种类不同、结构不同，具体的用途也不尽相同。如夹头榫，顾名思义是因为采用夹头作为连接构件（如图5），是案形家具中常用的一种榫卯结构。四条案腿的顶部为突出的榫状，与案面下方预留的卯眼严丝合缝地结合在一起。案腿的上端设有开口，用于将牙条和牙头衔接起来，因此从其外观上来看腿足相较于牙条和牙头略高一层。这种简单的结构往往隐藏着深邃的美感，通过四足将牙条夹住形成矩形之势，与通过案面的卯眼将腿足固定起来，使得案面的重量均匀分布到每一根腿足，将结构隐藏于外表之中，仅留少量片面地裸露在外表面体现出榫卯的结构之美。

图5 夹头榫构造

3.1.3 创新之美

榫卯结构在发展过程中不断革新，同时将各种创新元素融入其中，从而适应不断更新的审美需求。在明清家具设计的发展进程中体现的尤为显著。这一时期，榫卯结构的作用不仅是木构节点，而且是一种塑造造型的手段。通过楔钉榫把木材连结为优雅的圆弧形圈椅造型，或是将抱肩榫衍生出更多类型，使得高束腰、束腰的造型形成多种多样的变化。因此，在造型上不再严谨庄重，也开始充满了活力与青春的气息。与此同时，在设计上，将复杂的榫卯结构变得简单化，力求简单又不失乐趣。

3.1.4 生产之美

榫卯结构作为一种技术与艺术相结合的产品。在古代，它需要工匠师傅有着缜密的心思、独具一格的视野、较高的审美能力，以及高超的手头功夫，将各个部件通过榫卯组合在一起形成一件完整的构件或者是精美的家具。随着科技的发展和技术的进步，现代较为昂贵的木质家具，如红木家具的生产除了个别需要人工精巧的雕刻与镶嵌外，几乎全部使用现代化机械进行生产。加之操作者都经过严格的专业培训，匠师们能熟练地掌控机床操作，因此开出的榫卯更加精准，各部件组合后更加严丝合缝，使得木结构更加美观、牢固、耐用。通过创新生产过程所需的机械模具，提高生产效率，智造更多的榫卯结构产品，以生产之美带动榫卯的结构之美。

3.1.5 趣味之美

由于榫卯结构的特殊性，其很早就被应用于工业设计中，以中国传统文化符号融入玩具的设计中，从而极大地丰富了玩具的种类和造型。由此发展而来流传于汉族民间的益智类玩具，如鲁班锁又叫“孔明锁”或“八卦锁”。一般是由若干个木条相互拼接而成，外层为立体十字形，且不同方向的木箱之间相互错层，不存在正好相对或者相顶的情况。不同的内部结构与外部形态，最终呈现的形态也是各异的。总而言之，鲁班锁是一种三维空间组合结构，不用钉子和绳子，完全靠自身结构的连接支撑，从外观来看严丝合缝，浑然一体，其特点为易拆、难装，极具三维空间智慧，看似简单，实则凝结了人们非凡的智慧，体现了榫卯结构的趣味美，如图6所示。

图6 孔明锁

3.2 “庞巴尔笼”的美学价值

3.2.1 秩序之美

“庞巴尔笼”从整体来看，宛如一个由多组间距相同的垂直线条、水平线条整齐排列，并通过对角斜线的支撑形成稳固的网格结构。“庞巴尔笼”的结构美学逐渐演变为庞巴林风格，延续了早期的抗震设计特点和早期的预制建筑方法。先将灵活的木质结构植入墙壁、地板和屋顶，然后再用预先制造的建筑材料将其覆盖，产生“震动但不会掉落”的作用。在保证其使用功能的前提下，使其结构形态具有一种缜密与秩序之美。

3.2.2 理性之美

“庞巴尔笼”设计的初衷是应对地震的侵袭，因此其主要用途并非是用于装饰，而是它的实用功能，演变而来的庞巴林风格也沿袭了这种功能精神，即消除所有外来的装饰，并在整个过程中强加一种理性的清醒。

3.2.3 简洁之美

“庞巴尔笼”木结构在最初设计的过程中庞巴尔侯爵拒绝了贵族们喜爱的纷繁复杂的装饰，并只允许在门、窗进行简单的装饰，因此“庞巴尔笼”式建筑具有一种简洁大方的美感。在现代，“庞巴尔笼”转变为一种设计风格多被用于室内装饰，一般不起结构上的作用。“庞巴尔笼”风格通常是在原本钢筋混凝土搭建的建筑内部使用木质网状结构加玻璃材料还原其外观特征，或者直接转化为装饰元素，将其从墙壁上解放出来，依旧使用木材作为装饰材料，通过水平或倾斜形成简单的几何图形，使室内的设计呈现出大方简约的特点，因此其还具有一种简洁之美，如图7所示。

图7 “庞巴尔笼”的设计风格延续

4 总结

不论是中国的“榫卯”，还是葡萄牙的“庞巴尔笼”式，都是人类对抗自然灾害智慧的结晶，以其兼具实用性和审美性而得以发展。榫卯结构经过漫长岁月的洗礼沉淀，以其精简的凹凸结构，体现了中国人对于实用主义的追求，又因其美学价值的不同方面，体现了中国人对于美的多角度追求。榫卯结构在构合、楔入、分离的过程，同样也是传统与现代、传承与创新的过程，其承载了中国工匠、设计师们深刻的设计意匠与文化内涵。不同的是，“庞巴尔笼”结构后期转化为一种建筑风格，但庞贝林风格由于受到巴洛克、洛可可风格的席卷而逐渐淡出历史舞台。中国的“榫卯”工艺以对称、结构、生产、创新和趣味之美在数千年的传承中延续了下来。从抗震性能的视角下，分析中外古建筑中的木质构件之美，希望对今后的设计能起到指引作用。