榫卯结构如何在设计中运用?

 > 发布于2020-05-18 阅读 1.0k
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山无棱,江水为竭

冬雷震震,夏雨雪,

天地合,乃敢与君绝

陪伴是最深情的告白

有一种地老天荒的相守

有一种生死相随的浪漫

叫——榫卯


应县木塔作为世界上最高、最古老的木结构佛塔

建于辽代清宁二年(公元1056年)

至今已历960多年

虽历经了狂风暴雨、强烈地震、炮弹轰击

(塔身上弹痕累累,可以看见嵌进去的弹头)

仍然屹立


整个建筑主体2600多吨

纯木结构、无钉无铆,不打胶

正是通过榫与卯之间巧妙的构架与咬合

使3000立方米木料浑然一体,生死不弃

那么问题来了,什么是榫卯?



01.什么是榫卯?



从功能角度来讲榫卯是

木质器物之间起连接作用的一种结构

多应用于建筑设计、家具、生产工具等方面

凸出部分叫榫(或榫头)

凹进部分叫卯(或榫眼、榫槽)




榫与卯之间通过木材的多与少

高与低、长与短之间的巧妙组合

有效地限制木件向各个方向的扭动

起联接和固定作用

古人云:“榫卯万年牢”

正是通过榫卯这种巧妙的连接方式

使得应县木塔历经千年的风雨飘摇而屹立不倒



02.榫卯为何如此牢固?



我们从三个方面来说明问题


「物理性质上的避就强」


从物理性质方面来讲

木质材料由纵向纤维构成

只在纵向上具备强度和韧性,横向容易折断

榫卯通过变换其受力方式

使受力点作用于纵向,避弱就强



△中国古代楔钉榫,图片来源于知乎答主筱顽咚



「结构上的刚柔并济」


木质材料受温度、湿度的影响比较大

榫卯同质同构的链接方式下

使得连接的两端共同收缩或舒张,整体结构更加牢固

而铁钉等金属构件与木质材料在同样的热力感应下

应膨胀系数的不同从而在连接处引起松动

影响整体的使用寿命

刚的一面,体现在凹凸面相互咬合后

不用订、绳、自然形成一个整体

提高整体的负荷能力

柔的一面,能够承受一定的变形

消耗一些能量、减少结构响应


△在地震模拟的反应中,整个榫卯结构模型出现轻微的晃动,但没有出现实质性的破坏。


「构造上的巧夺天工」


在东亚地区特别是我国

古代的能工巧匠

以其天马行空的想象力和精湛的工艺手法

创造出了无与伦比的榫卯构造方式

将木质材料的应用推到了一个登峰造极的水平

不仅构造精奇,更是数量众多

在牢固的基础上,不同的榫卯满足于不同的应用方式

其榫卯结构样式更是多达上百种

话不多说,来几张动图感受下~










△以上动图为以精巧著称的日式榫卯


接下来再看几组实物榫卯动图

(多为中式榫卯)




△以上动图为传统中式榫卯,虽不似日式榫卯精巧绚丽,但更加实用牢固


这只不过是古人榫卯构造方式的冰山一角

榫卯构造在我国几千年的沉淀与发展中

适用、美观、坚固三者兼备

代表着木质材料在形式构造方面的最高典范

(我国古代不同榫卯构造的分力、应力方式将在下文详细展开)


△《营造法式》榫卯类型:梁柱等卯口,在1000年前宋代的《营造法式》中已经有各种巧妙的榫卯结构



03.那些关于榫卯的错误认知




「榫卯起源于我国,是我国特有的吗?」


仅对欧洲而言,贯穿于整个前工业时代

在欧洲木材丰富的地区,大到教堂屋顶构架桥梁

小到山野民宿,榫卯都是最常见的构建连接手段

木材作为最原始的建筑和家具材料是全球性的

座椅也是途径西亚传入中国

在没有金属大规模生产的前工业时代

世界各地的人不可避免的都有要与土木打交道

在各地人民长期实践中自然而然的就掌握了榫卯技术


△德国出土的古老榫卯结构


△十九世纪六十年代马塞诸塞州温莎市三湾谷仓处的榫卯结构


应该说榫卯是在整个前工业社会是一个现象级的产物

我国文明产生较早大规模工业生产到来得太迟

我国榫卯结构的应用与发展因此有了极长的时间厚度

加之我国古代聚居地区天然石材较少、人口众多

天然亲近与榫卯的构建连接方式

使得我国古代人民对榫卯更有一种别样的感情


△建于公元782年(唐代),距今已有1200多年的南禅寺大殿



「榫卯构造的中国古建筑不用一根钉子,

究竟是不是事实?」


钉子作为一种非常方便、实用的加固技术

古人为何要跟钉子过不去,以至于“一根不用”?

首先这从情理上是说不通的

不过就古代生产力水平而言,类似钉子这样的物件

都还需要铁匠一个一个的制作,成本极高

加之对木质材料而言

钉子还具有膨胀系数不同、容易生锈等缺点

所以在我国古代建筑、家具的主体结构中

榫卯所占比例较大

部分构筑物、家具采取榫卯与钉子相结合的组合方式


△宋代张择端《清明上河图》中的虹桥没有桥墩,用的是一种中国古老的“榫卯”结构,就像双手十指紧扣时那样难舍难分,使桥异常牢固



除钉子之外某些榫卯的连接处也会采用胶来加固

我国古代大多用鱼鳔胶来固定

鱼鳔胶作为榫卯结构的辅助

其遇热水可以化开,可以拆卸,可以修补



“不使用一颗钉子”这个说法偏离事实甚多

唐代文学家杜牧《阿房宫赋》记载:

“钉头磷磷,多于在庾之粟粒;

瓦缝参差,多于周身之帛缕”

表明阿房宫中所用钉子的数量之多



04.榫卯的具体运用



对于我国而言,建筑、家具这两大类

对榫桙的应用最为显著和数量众

要明白不同榫卯在建筑和家具中起到的具体作用

我们先来简单介绍下我国建筑、家具两大构造系统



△故宫@苏唐诗


△开封山陕甘会馆@苏唐诗


建筑中的木构是梁柱系统、家具中的木构是框架系统

两个结构系统之间同样都靠榫卯来连接构造原理相同

建筑的梁柱系统通过柱子与横梁的交叠扣搭

以此来支撑整个屋顶的重量

梁柱之间不同的搭配

又可以形成抬梁式与穿斗式等不同的样式

在梁柱体系完成以后

再以砖、夯土、木质板材等形式做墙

古人所谓“墙倒屋不塌”就是这个道理



@苏唐诗




而对于家具的框架系统而言

足腿相当于建筑的柱子

枨(cheng)子跟牙子相当于建筑的梁

起固定连接作用。案面相当于建筑的屋顶

其中足腿起支撑作用

枨(cheng)子跟牙子其分解重量与固定的作用

三者通过榫卯连接形成,浑然一体







「榫卯在家具上的应用」


唐代以前的古人多席地而坐

此时家具大多重心较低,形态偏厚重

对榫卯结构性功能要求相对较低






△电视剧《琅琊榜》剧照(故事架空背景为南北朝时的梁朝)


唐代床、椅等高脚家具形式传入中国后

古人坐姿的改变便加大对家具的承重要求

此时榫卯结构充分地与“新式家具”相结合

经过宋元时期的发展

中国传统家具终于在明代达到了顶峰

明式家具成为为中国家具史上最高的巅峰

在世界工艺史上也成为独树一帜的存在






△宋代绘画中的家具、上图为宋《蕉荫击球图》下图北宋宋徽宗《听琴图》


△元代抽屉桌(图片来源于网络)

△榫卯连接的明式家具


接下来介绍几组榫卯在家具中(框架系统)的具体应用


连接立木与横木之间的:粽角榫


在整体构架上传统家具

充分发挥木质材料在纵向上的韧性与耐力

以足腿的立木作支柱

横木的枨子、牙子作联结材,支撑案面

 在足腿与案面之间的支撑多采用粽角榫的榫卯形式




带板粽角榫               双榫粽角榫                传统粽角榫


连接立木和横木之间的榫卯:插肩榫


插肩榫为横木与立木之间的支撑起固定作用

是我国传统家具中“牙子”的主要来源方式

其不仅仅稳定了横木与立木之间直角关系

使其不变形分散由上而下的压力

同时还有一定的美化装饰作用





云型插肩榫                  扇形插肩榫                  夹头插肩榫


粽角榫与插肩榫的结合


高束腰抱肩榫、挂肩四面平榫

将粽角榫的支撑作用与插肩榫的固定作用充分结合

使整个家具的框架系统更为稳定



高束腰抱肩榫

挂肩四面平榫




在粽角榫与插肩榫的结合之后

家具下方往往再加上牙子对整个框架系统再次固定

重重固定之下使整个系统牢不可破



加牙子无束腰腿足与案面结合

一腿三牙结构





我国家具也多通过

粽角榫与插肩榫的结合的方式形成束腰

不仅使整个更加牢固

同样也形成了独有的美感

束腰有两种做法

一种低束腰、一种高束腰

综合来说,它们的作用都在于

使面板与腿足之间增加了一个过渡阶段

从而大大增加了装饰艺术的发挥空间







△古代家具的束腰之美


连接枨子的榫卯


枨子的连接方式

同样是发挥木质材料在纵向上的耐性

立木足腿横木为枨子

在足腿作为整个框架系统的支撑时

枨子固定几个足腿的受力方向

将所有的受力集中在纵向上

提高整个框架系统的使用年限



△方腿方枨的连接方式

园方结合的连接方式



多个枨子之间的交叉固定

多个枨子之间的交叉固定




椅盘边抹与椅子腿足的结构


链接两块横向木材和弯形材料的榫卯-楔钉榫


楔钉榫的作用是用来连接弯形木质材料

多见于圆形、桌圈椅等

楔钉榫通过两片榫头合掌式交搭

两片榫头各出一节小榫头

分别插入对方的榫眼

这种固定显然是只从前后、

上下或者说竖向和纵向上受力

最后还加上一个方形榫钉

直接贯穿两个榫片的交接处

这样就巧妙解决了横向的受力问题


楔钉榫

圈椅顶部的弯曲木材多通过楔钉榫连接


面板之间的榫卯链接-攒边打槽装板、燕尾榫


跟房屋、台座一样,我国家具的案面

大多都作四方形多见于案、桌、几

四方形的结体是可变的、不稳定的

但由于其利用榫卯使用了“攒边装板”的方式

加强了结点的刚度,迫使角度不变

将支架固定起来,消除了结体的不稳定因素

同时还能将重量负荷均匀而又合理地传递到腿足上去



△方形攒边打槽装板




      




     




除方形攒边打槽装板形成方形案面之外

攒边打槽装板的榫卯方式也可以形成圆形的样式

多用于园几、圆桌等


△圆形攒边打槽


红木双拼大圆桌

红木镶瘿木高香几




燕尾榫


因形似燕子的尾巴而得名,相传为鲁班发明

被后世尊称为“万榫之母”

是指两块平角直角相接时

为了防止受拉力脱开

将榫头做成梯台形,形似燕尾

使两者之间相互咬合,极为牢固





以上只是一些基础榫卯在家具中的应用

在不同的实际情况中

榫卯又会根据不同的要求从而在形式上千变万化


「建筑篇」


建筑中榫卯技术的应用

最早追溯到我国距今约7000年前的

河姆渡时期的木质建筑中

我们的祖先从巢居到干栏式的居住进化过程中

诞生了此项应用技术


△河姆渡干栏式建筑遗址


在河姆渡干栏式建筑中形成了早期的梁柱系统

作为梁柱系统重要的连接方式——榫卯

在河姆渡遗址更是出土了上百件之多


△河姆渡人建造干栏式房屋(雕像)

△河姆渡遗址木构件榫卯示意图




△夏代二里头遗址复原图


秦汉时代,随着“秦砖汉瓦”的大规模应用

产生了以阿房宫、西汉长安城为代表的一系列大规模建筑

以砖瓦为主要材质的屋顶形式

取代了之前的茅草屋顶

屋顶结构的改变增加了对梁柱系统的承重要求

其连接方式——榫卯同样也面临着新的挑战

由此在梁柱结构与屋顶系统的连接处

便有榫卯构建连接形成的斗拱等构架形式

(会在下文详细展开)


(“秦砖汉瓦”为宋代金石学对秦汉时代画像石和瓦当的统称,我国最早的“瓦”的应用可以追溯到周代)


△根据建筑史学家杨鸿勋先生的《陕西西安汉长安城未央宫遗址前殿复原设想鸟瞰图》制作的汉未央宫模拟图。(制图/丁雨佳)


△汉长安南郊礼制建筑中心建筑复原图。王世仁复原。

△中国山东出土的汉代画像石拓片,浅浮雕。上面已经明显看到斗拱的存在。


△五层彩绘陶仓楼,焦作市马作村出土


△山东画像石墓建筑斗拱

从魏晋到唐宋时期是佛教在我国的大发展时期
佛教建筑中“塔”、“窟”等形式的传入
丰富了我国建筑样式的同时
也加大木质楼阁在建筑中的比例
木质‘塔’式结构的广泛应用
加大了对我国古代建筑行业的要求
使得我国对榫卯链接方式的探索
也到达了一种更高层次的水平

▲ 摄影师@刘乐俊,山西应县木塔


宋代李诫在两浙工匠喻皓《木经》的基础上编成的
由北宋官方颁布的一部
建筑设计、施工的规范书——《营造法式》
是我国古代最完整的建筑技术书籍
标志着中国古代建筑已经发展到了较高阶段

△《营造法式》(陶本)书影


△《营造法式》(陶本)大木作制造图样之一

接下来介绍几组建筑中的榫卯

上文已经提到我国传统建筑多为梁柱系统,整个建筑结构依靠柱子支撑屋顶重量,柱子之间依靠雀替和枋来防止变形(类似于家具中的牙子跟枨子)。接下来我们就来看一下梁柱系统里榫卯在其中的具体应用。

各种榫卯形式构建形成了传统建筑梁柱系统的主要形式

固定柱脚的榫卯构建—— 管脚榫、套顶榫

管脚榫,因施于腿足的下部,故名管脚榫
顾名思义就是固定柱脚的榫
用于各种落地柱的根部,防止柱脚位移

图片来源于:木材圈

套顶榫是管脚榫的一种特殊形式
它是一种长短、径寸都远远超过管脚榫
并穿透柱顶石直接落脚于磉墩(sǎngdūn)的长榫


△图片来源:木材圈
图2、图3为管脚榫与套顶榫的比较

较大规模的建筑,由于柱径粗大,且有栏墙维护,稳定性好,并为制作安装方便,常常不做管脚榫,图1


柱与梁之间的连接固定部件
——馒头榫、箍头榫、半榫、透榫、燕尾榫

梁柱之间的榫卯构建方式往往
根据建筑物体积、材质、用途等方面的不同
而呈现出不同的连接构建方式
我国古建筑梁柱之间多以
馒头榫、箍头榫、半榫、透榫、燕尾榫
这五种榫卯方式相互配合

(馒头榫)

 馒头榫是柱头与梁头垂直相交时所使用的榫子
与之相对应的是梁头底面的海眼
馒头榫用于各种直接与梁相交的柱头顶部
其长短径寸与管脚榫相同



(透榫、透榫)

“透榫”和“半榫”都属于丁字型穿插的样式
多用于柱子和梁、枋之间的连接
透榫的榫头穿透榫眼
半榫的榫头不穿头榫眼
透榫构造方式更为牢固
半榫更加整洁美观



△透榫






半榫




(箍头榫)

 箍头榫是两个横向木材在尽端或转角部位
相结合时采取的一种特殊结构的榫卯
"箍头"二字
顾名思义是"箍住柱头"的意思
将枋子由柱中位置向外加出一柱径长
将枋与柱头相交的部位做出榫和套椀
从而形成箍头




梁柱之间的榫卯构建作

为整个梁柱系统重要的承重节点

馒头榫、箍头榫、半榫、透榫、燕尾榫等

构建形式往往根据实际需要

相互搭配组合产生不同的样式


几种榫卯之间的穿插配合

屋顶与柱子、梁架之间的连接——斗拱

斗拱是柱子与梁架之间的过渡构件
主要作用就是扩大梁枋和柱头的接触面
从而加强梁架与柱头的联系
以承托中国建筑那高大厚重、出檐深远的屋顶




其构建形式颇为复杂
通过横木与立木之间巧妙的连接
使柱子与屋顶之间的受力面达到最大的
同时使得屋顶的跨度长于立柱
形成“飞檐”的效果

斗拱上承屋顶,下接立柱
在中国古建筑中,扮演着顶天立地的角色
正因如此,斗拱是中国古建筑抗震能力的关键所在
俗话说“榫卯万年牢”
如遇地震,在斗拱的起承转合下,建筑体松而不散
能如太极般以柔克刚,巧妙化解地震冲击



在地震模拟的反应中

整个榫卯结构模型出现轻微的晃动

但没有出现实质性的破坏




榫卯的具体表现除了在家具、建筑两大领域外

也表现于我国古人生活的方方面面

建筑、家具、玩具、生产工具等

处处无一不是它的身影

基本可以说:

在我国古代只要有木质材料在的地方便会有榫卯的身影


鲁班锁(这种三维的拼插器具内部的凹凸部分(即榫卯结构)啮合,十分巧妙。在三国时期孔明把鲁班的这种发明制成了一种玩具——孔明锁。原创为木质结构,外观看是严丝合缝的十字立方体。孔明锁类玩具比较多,形状和内部的构造各不相同,一般都是易拆难装。拼装时需要仔细观察,认真思考,分析其内部结构。它有利于开发大脑,灵活手指,是一种很好的益智玩具。



正如《营造法式》所言

榫卯“有定法而无定式”、

由今视昔往往是一叶障目,不见泰山

在如今建筑、家具等领域

多种新材料不断推陈出新的情况下

依赖于木质材料的传统榫卯形式

如何:“有定法而无定式”

重新焕发出它的生机与活力

这同样有待于你我的思考


榫卯命题过于庞大

本文仅为抛砖引玉

不足之处还请多多指教!


参考资料:

《王世襄明式家具研究》

《明式家具的榫卯结构研究》(作者黎昆)

《基于构成主义思想的榫卯结构设计研究》(作者伍冰)

《建筑概论(第二版)》(同济大学沈福煦编著)

《中国传统建筑木作知识入门》(作者汤崇平)

知乎答主筱顽咚《关于中国古建筑的一些思考》《榫卯那些事儿》


PS:图文来源于网络,若有问题请联系我们,将第一时间做出处理。


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