故宫古建筑梁柱榫卯连接的智慧技术
故宫（明清时期称为紫禁城）拥有世界上现存规模最大、保存最完整的古建筑群。作为我国木构古建的典型代表，故宫古建筑的构造具有普遍性的意义。而其构造的主要特点之一，就是木构件之间采用榫卯节点的连接方式。所谓榫卯，即两个相互连接的构件，其中一个构件端部做成榫头形式，插入另一个构件预留的卯口中。榫卯节点具有重要的科学、技术及文化价值。相应的，部分学者亦围绕榫卯节点开展了学术研究，近年来的主要成果有：周乾等基于拟静力和振动台试验方法，讨论了传统铁件材料及CFRP布(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固明清官式木构榫卯节点的抗震效果，并提出了一种改进的铁件加固榫卯节点的方法。杨娜等基于弹性力学的半逆解法，在均布荷载作用下的简支木梁、铰接木梁和固接木梁解答的基础之上，结合榫卯节点半刚性连接的特点，通过引入两个表示半刚性的参数，得到了榫卯连接木梁内应力分布的多项式解答。LI等基于拟静力试验方法，对某宋代古建筑的1:2缩尺比例模型进行了抗震性能研究，认为榫卯连接方式使得结构有很好的变形恢复能力。薛建阳等基于振动台试验方法，对我国川西地区穿斗式木结构古建筑抗震性能进行了评价，认为榫卯节点的挤压摩擦和拔榫特性，使其在地震作用下具有较强的耗能减震能力。上述成果为本研究提供了良好的基础。
从已有成果来看，现有关于榫卯节点的研究，侧重于节点本身的力学性能及加固技术。然而，榫卯节点作为我国古建筑特有的连接方式，其从设计到安装、从使用技术到建筑美学等诸多方面都蕴含着我国古代工匠的聪明才智，而上述相关内容的研究则相对很少。基于此，本研究以故宫古建筑立柱与水平向的梁（枋）连接的榫卯节点为例，基于科学分析与工程实践相结合的方法，探讨我国木构古建筑中榫卯节点运用的技术智慧，为我国木构古建筑的保护和修缮提供参考。
1设计智慧
故宫古建筑梁柱连接所用榫卯节点，其类型丰富，主要有燕尾榫、馒头榫、箍头榫、透榫、半榫等。各种榫卯节点形式的设计，均巧妙地满足了建筑构件的使用、安装等功能等需求，体现了古代工匠的智慧。
(1)燕尾榫：是故宫古建筑最常用的榫卯节点形式，通常用于间互为拉扯关系的柱梁（枋）位置，如图1所示太和殿前檐柱与额枋连接处的榫卯节点。这种类型的榫卯节点特征为：位于额枋端部的榫头被加工成燕尾形式，而位于柱顶的卯口相应做成了同样形状、尺寸的凹口形式。燕尾榫榫头、卯口及安装方法示意见图2。其主要作用在于，额枋由上至下插入柱顶后，由于榫头截面前大后小，因而不易从卯口拔出，形成了可靠的连接。
图1故宫太和殿前檐柱-额枋燕尾榫节点
图2燕尾榫卯节点示意图
(2)馒头榫：用于柱头与梁头垂直相交位置的相互连接，如图3所示故宫军机处前檐柱与抱头梁连接处的榫卯节点。其主要作用在于，通过梁头传来的上部较大的作用力来与柱子搭扣密实，并避免柱子在水平向产生错动。馒头榫的构造做法为：在柱顶做出凸出的馒头状榫头，在梁头底部对应位置刻出相应尺寸卯口（称为海眼），见图4。
图3 故宫军机处前檐柱-抱头梁馒头榫节点
图4 馒头榫
(3)箍头榫：用于建筑转角部位，其特点为水平向的两根枋正交，而后同时插入柱顶的十字形卯口内，如图5所示故宫古华轩在建筑转角位置所用的榫卯节点。箍头榫在进行连接时，由于是水平正交方向的两根枋同时与柱子搭接，因而首先相将两根枋本身互为榫卯，互相卡扣；然后将搭扣好的节点再形成“榫头”形式，与柱顶十字形卯口做成榫卯卡扣形式。为美观起见，古华轩箍头榫的端部做成优美曲线形式，称为“霸王拳”（小式建筑做成三岔头形式）。榫头榫安装示意如图6。箍头榫的枋与枋、枋与柱“卡扣”互为榫卯，其外观还做成漂亮的霸王拳形式，不仅在力学上很强的拉接力，有利于保护柱头，并且还起到优美的装饰效果，体现了古代工匠的智慧。
图5故宫古华轩转角位置的箍头榫节点
图6 箍头榫
(4)透榫：即榫头穿透柱身截面的连接做法，常用于需要拉结，但由于古建筑木构件构造做法原因，又无法用上起下落的方法进行安装的部位。如图7所示故宫军机处前檐柱与穿插枋的连接即为透榫做法。透榫的榫头一般做成大进小出的样式，这种样式的特点在于，榫头的穿入柱身部分，其高度与枋的高度相同；而榫头穿出柱身后，其多出的部分，则按穿入部分的截面尺寸减半进行处理。透榫的榫头形式不仅美观，而且还能够减轻榫头对柱身截面的破坏。透榫的安装方式为榫头水平向插入卯口，见图8所示。
图7故宫军机处前檐柱-穿插枋透榫节点
图8 透榫
(5)半榫：用于建筑物中部的柱子，这种柱子将梁架分为前后两段。由于两边的梁架都必须与柱子相交，因而其榫头做成了半榫形式。如图9所示的故宫后右门中柱与梁的连接，即为半榫做法。相对于其它形式的榫卯节点而言，半榫节点的拉结作用比较差，很容易出现拔榫现象使得结构松散。为解决这个问题，古代工匠有在梁下面安装替木的做法，见图10。替木穿过柱截面，顶部做出2个销子与梁底拉结，以增加梁和柱的接触面，并提高榫头与卯口之间的拉结力。
图9故宫后右门中柱-梁半榫节点
图10 半榫带替木安装方法
2安装智慧
故宫古建筑梁柱榫卯节点的安装，体现了古代工匠的智慧。以图1-图2所示具有代表性的太和殿燕尾榫节点为例，对榫卯节点安装的智慧技术进行说明。
太和殿前檐柱与额枋的连接做成燕尾形式，且安装方向为由上往下进行。一方面，其体现了燕尾榫形式的智慧之道。从平面形状来看，燕尾榫头非矩形，其特点是根部（榫头后尾）窄、端部（榫头前部）宽，这种做法在古建领域被称为“乍”；从立面形状来看，燕尾榫榫头亦非矩形，其下部窄、上部宽，这种做法在古建领域被称为“溜”。燕尾榫的“乍”，使得榫头插入卯口后，就不容易从卯口水平向拔出。其原因在于，榫头从卯口水平往外拔出过程中，榫头的竖向截面面积越往外越大，榫头与卯口之间就挤得更紧密，所需水平外力就越大，因此，燕尾榫节点不容易产生水平拔榫。燕尾榫的“溜”，使得燕尾榫在从上往下安装过程中，越往下其水平截面面积越大，榫头与卯口的挤得就更加紧密，所需竖向外力就越大，因而榫头与卯口在竖向连接牢固。燕尾榫的“乍”和“溜”做法，有利地保障了榫头与卯口之间的可靠连接，有利于木构架的稳定，体现了古代工匠的智慧。
另一方面，这也体现了燕尾榫安装方法的智慧之道。由图2不难发现，燕尾榫的安装方式是由上向下进行的。紫禁城古建筑施工工序，首先是立柱，然后再安装梁枋，最后再上瓦砌墙。梁枋端部做成燕尾榫榫头形式，竖向方向安装，有利于燕尾榫头与卯口在上下向的挤紧，而且安装后的榫头也不容易从卯口拔出。不仅如此，这种安装方式，还有利于柱子的定位。因为一旦水平方向安装梁枋，需要立柱错位来腾让安装空间。同时，燕尾榫榫头水平向插入卯口，还会破坏卯口的初始截面尺寸，影响榫卯节点的拉接功能。可以认为，上下向安装燕尾榫榫头，是适应这种榫卯节点类型的安装方式，不仅有利于节点本身的稳固，对木构架整体的扰动也减小到最少。
另榫卯节点的连接方式有利于紫禁城整体的营建。我国古代工匠巧妙地利用了木材易加工、重量轻的特点，将这些构木构件预先加工好，避免了对木材进行现场剔、凿、刨等工序造成的杂乱环境。而柱、梁枋在现场只需安装即可，有利于快速施工。实际上紫禁城古建筑含有房屋1000余座9000多间，其真正现场营建只用了3年。榫卯连接的方式不仅有利于快速施工，而且榫头与卯口之间精确的尺寸咬合使得构件不易产生错位。由此可知，柱与梁枋的榫卯连接可营造快速、高效、优质的施工环境和营建效果，体现了古代工匠的智慧。
此外，图1所示榫卯节点位置还运用有雀替，其亦体现了古代工匠的智慧。雀替是一个木块，其从柱顶伸出来，与柱子共同支撑额枋。之所以称为“雀替”，主要原因在于其外形像鸟雀的翅膀。雀替在北魏时期就出现了，其外形由简单的长方形木块演变为具有浓厚艺术特色的曲线木雕。不仅如此，雀替的力学功能也非常明显：它可以辅助柱子，共同支撑额枋传来的竖向力；它缩短了额枋的跨度，减小了额枋的竖向变形量。当然，雀替最重要的作用在于，它增大了榫卯节点位置的截面面积，减小了竖向静力作用下榫头产生剪切破坏的可能性；它限制了额枋端部榫头绕柱顶卯口的相对转动，增强了榫卯节点的整体性，有利于提高木构架的稳定性。此外，与原始四边形立面形状相比，雀替演化成三角形的立面形状并不会导致其受力性能降低。
3抗震智慧
榫卯节点优秀的抗震性能是故宫古建筑木构件的重要结构特性之一，也是我国木结构古建筑的智慧体现方式之一。从连接方式来讲，榫头与卯口的连接属于半刚接[9]。所谓“半刚接”，即节点不能像铰球一样随意转动（铰接），也不像固定的刚架一样完全无法转动（刚接），而是介于铰球和刚架之间的一种连接方式，其特征为可以转动，但受到一定限制。这种连接特征是非常有利于古建筑抗震的。因为这样一来，有限的转动能力有利于减小梁柱构架的晃动幅度。不仅如此，榫卯连接可耗散部分地震能量。基于能量守恒原理，地震能量传到古建筑木构架上，部分转化为木构架的变形能（构架变形），部分为构架的内能（内力破坏），还有部分转化为构架的动能（榫头与卯口的相对运动）。这有助于减小建筑整体的破坏。
作者开展了榫卯节点抗震性能试验，较为细致地探讨了榫卯节点的抗震性能。研究表明：地震作用下，柱顶的卯口与梁枋端部的榫头之间产生摩擦和挤压，并产生相对运动，这种运动包括相对滑移（图11）和相对转动（图12）。柱脚抬升时，柱身产生倾斜，与额枋产生相对变形，榫头与卯口之间产生相对挤紧运动，并随着柱脚抬升幅度增大而表现明显；柱脚复位时，榫头与卯口之间产生相对拔出运动，并逐渐恢复到初始位置附近，榫头与卯口之间则会因为地震力作用原因而产生拔榫，但始终保持连接状态。随着柱架的摇摆，柱顶榫卯节点不断进行挤紧—拔出的开合运动，且由于榫卯节点数量较多，其间亦耗散了较为可观地震能量，有利于减小结构的震害。
图11榫卯的相对滑移
图12榫卯滑移伴随转动
需要说明的是，地震作用下，榫头与卯口之间产生相对运动，有时不能正常复位，称为拔榫。拔榫非脱榫，也就是说，榫头具有一定的长度，即使其在卯口中不能完全恢复到初始位置，但是因为其本身有一定的长度，因而仍能搭接在卯口上，使得榫卯节点本身并不受到很严重的破坏，在震后稍加修复即可正常使用。这就是我们看到很多古建筑榫卯节点出现拔榫，但木构架本身仍保持完好的原因。从这个角度讲，也体现了古代工匠的智慧。
此外，作为榫卯节点的辅助构件，雀替的抗震作用亦不可忽视。雀替的存在加强了木构架受力变形过程中结构的整体性，增大了榫卯节点的转动刚度，加固了梁柱节点。雀替可提高榫卯节点的正向转动弯矩，其幅度达61%；且在雀替与枋脱离前，可提高节点的耗散地震能量的能力。
4美学智慧
故宫古建筑梁柱榫卯节点的运用，亦体现了古代工匠的美学智慧。故宫古建筑榫卯节点形式丰富，根据结构不同部位的安装、受力需求，采取不同形式的榫卯节点，不仅满足了建筑使用需求，其外观也体现了营造技艺之美。作为具有东方特色的古建筑营建方式，紫禁城古代工匠利用独特的一凹一凸连接方法，极为复杂的建筑结构外在表现得简约古朴，而其中却透露出工匠丰富的灵感和智慧。可以认为，榫卯连接是故宫古建筑艺术和技术的融合，并表现出故宫古建筑非凡的使用价值和艺术价值。不仅如此，榫卯节点的美学智慧还表现出我国传统文化中的“和谐”思想。这种和谐，寓意化异为同，化矛盾为统一。榫头与卯口的应用，从材质、使用功能、结构受力需求、建筑外观审美等多个角度，都体现着和谐与契合。故宫古建筑运用的榫卯节点，其榫头与卯口之间的结合或分离，楔入或穿插，都在故宫古建筑的艺术中被赋予了极为丰富的和谐内涵。这种内涵既体现在建筑本身中，而且还存在于哲学文化的层面，因而可以认为是一种智慧思想的体现。
5结论
(1)适应于构件在古建筑不同部位的功能需要，故宫古建筑用于梁柱（枋）连接的榫卯节点主要有燕尾榫、馒头榫、箍头榫、透榫、半榫等。
(2)不同类型的榫卯节点在安装技术上可满足建筑的快速施工及建筑本身的稳固需求。
(3)榫卯节点在地震作用下可通过节点本身的运动来耗散地震能量、减轻结构破坏，而节点的拔榫不会造成结构严重破坏。
(4)榫卯节点的外观简洁而富有艺术效果。
(5)故宫古建筑中榫卯节点的运用从设计、安装、使用、外观等方面体现了古代工匠的智慧。
author：故宫古建文化漫谈
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