“转自：结构设计-公众号“

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斗拱这个名词相信很多人都耳熟能详，也是中国古建筑最具特色的设计之一。

但是，如果我问您斗拱的原理是什么？为什么非要把木头做成这个样子？您能解释给我听吗？您能说出个所以然来吗？

如果您解释不出来，只是在百度百科上读过几行似是而非的文字，那又怎么能评判它是不是符合力学原理呢？是不是老祖宗智慧的结晶呢？

设想我们用木料盖房子，最简单的，四根立柱，四根横梁，比如下图这样：

这样直接把横梁放在柱子上头的做法行不行呢？感觉不太牢靠，就像是随便搭的积木，随时都能散架。

因为没有任何机制能阻止横梁在水平方向的移动，所以一点风吹草动，一点点晃动，可能横梁就自己滑下来了。

那怎么办呢？

最简单的，用胶水把它们粘在一起就解决了。

这的确是个好方法，事实上现在的很多家具就是这么做的。

可惜，老祖宗那时候的材料科学不发达，没有现在的胶水，做不到可靠的把木头粘接起来。

另一个可能的方法，用钉子把它们钉在一起。

一方面，跟胶水一样，老祖宗那时候的冶金不发达，金属钉子的力学性能、抗腐蚀性能都不能令人满意。

另一方面，木材是天然的各向异性材料。也就是说，一根木料其实是一捆木质纤维集合在一起组成的，就像是一捆塑料吸管绑在一起。类似这样：

正因为如此，如果像下图那样，拿一根钉子，穿过横梁的端头，竖直着敲进柱子，把横梁和柱子钉在一起，这时候这根钉子是平行于柱子的纤维方向的。也就是说，钉子其实是钉在了这些互相平行的纤维之间的缝隙里，并没有特别可靠的连接。这样的钉子发挥不了太大的作用，远远比不上垂直于这些纤维方向钉进去的钉子。

用胶水吧那时候没有，用钉子吧效果又不好，那怎么办呢？

方法就是下图这样，在柱子上开槽，让横梁「坐进」这个槽里。

因为有了这个凹槽，现在直接跟柱子接触的那两根横梁已经嵌进了这个槽里，至少不会往两边滑动了，但是这两根梁还是有可能沿着自己的轴线方向滑动，也就是沿着这个槽的方向来回滑动。

另外那两根梁还是像积木一样直接摞上去的，同样的方法，我们也可以在一个方向的横梁上开槽，让另一个方向的横梁落到这些槽里。

现在上面的这两根横梁已经嵌进了底下的这两根横梁的槽里，底下的两根横梁已经嵌进了柱子上的槽里。

这四根横梁都已经不能往两边滑动了，因为已经各自嵌进了对应的槽里，两边无处可去。

但是这四根横梁依然可以沿着轴线方向滑动。比如说，我依然可以把一根横梁给「抽」出来。事实上，所谓的孔明锁或者叫鲁班锁就是这个原理，因为槽的存在，不能向两边移动，但是可以沿长边的轴线方向移动。（孔明锁或者鲁班锁，其他国家叫 Burr puzzle，最早是 1785 年德国玩具商生产的，最早出现在中文里是 1889 年唐再丰编写的《中外戏法图说》）

为了阻止横梁在轴线方向可能的滑动，我们再进一步，在柱子的另一个方向也开槽，做成一个「十字形」的槽，把两个方向的横梁都嵌进去。就像这样：

现在再看一下，底下的这两根横梁已经抽不出来了，因为上面的横梁已经嵌进了柱子里，彻底把底下的横梁卡死在里面了。

上面的横梁还是可以被抽出来，这时候我们可以修改一下开槽的尺寸，做出一些榫头来，把上面的这两根横梁也卡住。比如像下图这样，上面的那个横梁开四个浅的凹槽，底下另一个方向的横梁开两个贯通的槽，这样就可以互相咬合在一起，然后一起嵌进柱子上那个十字形的槽里。这样就保证了所有的梁都不会滑动。现在这四根梁已经都咬合在一起，没有一根能够被直接「抽」出来了。

现在我们的结构已经是下图这样的了。用专业术语说的话，就是横梁在水平方向上 X 和 Y 两个方向的自由度都被固定了。

那这是不是最终的解决方案呢？

还不是。又来了一个新问题，因为柱子被开了个十字形的槽，损失了很多材料，方形的柱子中间少了个十字花，其实只剩下了四个角上那一点点材料，也就是那四个小棍在卡住横梁。万一这四个小棍不够结实，一下子给断了呢？

为了解决这个问题，我们可以局部的增加柱子端头的截面积，把柱子的端头做大做粗。像下图这样，这样即使去掉了中间的那个十字花，剩下的四个角依然有足够的材料，依然足够结实。

这就是完成体的结构。

分解开来的话，是这样的：

我给不同的组件涂了不同的颜色。最下面红色的这个带十字花的开槽的就是所谓的「斗」，中间橙色的这个横梁就是所谓的「拱」，最上面绿色的另一个方向的横梁就是所谓的「昂」。

对比下图这个真实的「斗拱」，是不是原理是一样的？

同样的原理，依此类推，在拱和昂上面各自再放一个斗，上面再放各自的拱和昂，一层一层的叠上去，也就是我们常见的古建筑上的斗拱了。

即使是今天，很多家具依然用类似的原理。

比如这种茶几。

一个腿和两个方向的横梁，同样是「斗」「拱」和「昂」。这样的做法在今天的家具里依然很常见。

这种做法做个家具绰绰有余，因为家具的重量十分有限。

做个小房子也还是可以的，但是大尺寸的建筑物就会吃力了。

因为大尺寸的建筑物的自重比家具大得多，所以需要的承载能力也要大得多，这也就是为什么古建筑的斗拱体形都非常之大。

反过来，斗拱大说明我建筑物的面积大、体积大、重量大，说明我盖得起这样的建筑物，所以斗拱的尺寸也变成了等级的象征，甚至有了装饰性质占主要目的的斗拱。

对于现代木结构来说，因为我们今天的材料科学、冶金工艺早就突飞猛进了，所以斗拱这种做法没有什么实际意义了。

一根立柱和两个方向的两根横梁连在一起，买一个金属连接件，问题解决。

木材经过防腐蚀和防火处理，金属材质也是耐候材质的，无需担心年久失修。注意看现代木结构节点，螺栓也是以穿过木材为主，垂直于木材纤维的方向。

实现同样的目的，过去需要费尽气力做一层一层的斗拱，现在只需要一个金属件。因为金属单位体积的力学性能比木材强太多，所以节点的尺寸可以大大减小。