紫禁城古建木柱的稳定智慧——侧脚、收分与生起

一侧角

所谓侧脚,就是古建筑最外圈的柱子(檐柱)顶部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。宋《营造法式》卷五《大木作制度二·柱》规定:“凡立柱,并令柱首微收向内,柱脚微出向外,谓之侧脚。每屋正面,谓柱首东西相向者,随柱之长,每一尺,即侧脚一分;若侧面,谓柱首南北相向者,每长一尺,侧脚八厘;至角柱,其首相向,各依本法,如长短不定,随此加减”。这句话规定了每间房屋在正面(长度方向),柱身侧脚尺寸为柱高的1/100(柱底往外掰出1/100柱高的尺寸);在侧面(宽度方向),柱身侧脚尺寸为柱高的8/1000;在角柱位置,则两个方向同时按上述尺寸规定侧脚。紫禁城古建筑普通立柱的安装都是柱身垂直立于柱顶石上,而檐柱的安装则不同,按照侧脚做法,形成“八字”状,见图1-图3。

图1太和殿檐柱侧角

图2侧脚示意图(左:侧脚前;右:侧脚后)

图3水平地震作用下的柱架运动示意图(左:侧脚前;右:侧脚后)

侧脚做法,不但使整个建筑物显得更加庄重、沉稳而有力,而且体现了一定力学智慧。由图3不难看出,侧脚使得古建筑的柱架体系由直立的平行四边形(矩形)变成了“八”字形。由于古建筑的柱子与梁是通过榫卯方式连接的,即柱顶做成卯口形式,梁端做成榫头形式,插入柱顶预留的卯口中。在发生地震、大风等自然灾害时,立柱与梁之间的榫卯连接使得彼此之间产生相对晃动。对于未设侧脚的“平行四边形”体系而言,其在水平外力作用下不断往复摇摆,很容易产生失稳破坏。而这种“平行四边形”的连接体系,在物理学上可称为“瞬间失稳体系”。对于设置侧脚的“八字形”体系而言,而侧脚之后柱与柱的延长线会相交于一点,形成虚“交点”,而整个体系则犹如一个三角形。其在水平外力作用下的晃动受阻,该阻力由侧脚的柱身提供。且侧脚使得柱顶的卯口与梁端的榫头挤紧,增强了榫卯节点的受力性能。在物理学上,该“八字形”体系可称为“三角形稳定体系”。

收分

紫禁城古建筑圆形的立柱,其上下两端的直径是不相等的,从柱底到柱顶,其截面尺寸逐渐减小,这种做法称为“收分”或“收溜”,见图4。一般而言,对于不含斗拱的建筑(小式建筑),柱顶截面直径收分尺寸为柱高的1/100;对于含斗拱建筑,柱顶截面直径收分尺寸为柱高的7/1000(马炳坚:《中国古建筑木作营造技术》,北京:科学出版社,1991年:第4页)。

图4柱收分示意图(明清时期)

柱顶收分由柱顶卷杀演变而来。“卷杀”是将木构件或部位的端部做成缓和的曲线或折线形式,使构件或部位的外观显得丰满柔和,见图5。宋《营造法式》卷五《大木作制度二·柱》规定:“凡杀梭柱之法……又量柱头四分,紧杀如覆盆样,令柱项与护斗底相副”。这段话的大概意思是,对柱子进行卷杀时,对柱头位置取四分的长度(约1.2厘米)进行紧杀,砍削去柱头上不承载枦斗(即斗拱的底部)压力的边沿部分,使其形状如覆盆。卷杀后的柱头与下部柱身的收分相配合,具有稳定、圆和、柔美之感。元、明以前,大木构件的卷杀做法很普遍,宋代《营造法式》中更是规定了各类木构件卷杀的具体位置和尺寸,但是随着朝代不断的前进,这种做法逐渐简化并演变为收分为主的形式(卓媛媛:《故宫长春宫大木结构特点初步分析》,《故宫学刊》2015年第2期,第312-322页)。分析认为,明清时期随着柱头之上平板枋的出现,柱头栌斗由原来的直接坐在柱头之上改为坐在平板枋上,平板枋之上再为栌斗。从此柱头与栌斗不再接触,因而原来为了使柱头柔和过渡到栌斗的“紧杀如覆盆”之做法便失去了意义,同时下端亦不再卷杀。相应的,柱头演化成收分做法,即将柱子加工成上粗下细之形状,比直柱优美,且稳定又轻巧(李合群,李丽:《试论中国古代建筑中的梭柱》,《四川建筑科学研究》2014年第5期,第243-245页)。紫禁城古建筑的部分立柱柱头的收分做法,仍含有卷杀成分,如长春宫、保和殿(王文涛:《保和殿建筑结构及形制探究》,《中国紫禁城学会论文集第八辑(上)》,北京:故宫出版社,2014年)、慈宁宫(图6)等。

图5柱卷杀示意图(宋)

图6柱收分(慈宁宫)

收分对古建筑整体稳定性的有利影响。柱子的主要作用是承担上部斗拱传来的作用力,并将其传给下部基础。柱顶收分的优点在于,可以减小柱顶的截面尺寸,使得该尺寸尽可能与柱顶上部的构件截面吻合。这样的话,上部作用力的合力中心传到柱顶时,能够基本上与柱身中心线重合,有利于荷载传到地面,并减小了柱顶产生偏心弯矩的可能性。而柱顶偏心弯矩造成的破坏表现为柱身的歪闪,且在地震或大风作用时表现明显。由此可知,收分做法亦为古代工匠智慧的体现。

生起

在紫禁城古建筑的正立面上,每个开间的柱高并不相同,而是自正中间的檐柱向两侧的角柱逐渐增高,这就是柱的“生起”。宋《营造法式》卷五《大木作制度二·柱》规定:“凡用柱之制,……至角则随间数生起角柱。”又对生起的尺寸做了具体规定:“若十三间殿堂,则角柱比平柱生高一尺二寸;十一间生高一尺;九间生高八寸;七间生高六寸;五间生高四寸;三间生高二寸”。在明清时期,1寸=3.2厘米,1尺=10寸(马炳坚:《中国古建筑木作营造技术》,北京:科学出版社,1991年:第3页)。另我国古建筑房屋的间数一般为单数,即一、三、五、七、九。以三开间古建筑为例,生起做法的示意图见图7所示。柱“生起”做法在宋代建筑较为普遍,明代减少,清代《工程做法则例》则无“生起”之制(郑连章:《紫禁城钟粹宫建造年代考实》,《故宫博物院院刊》1984年第4期,第58-67页)。紫禁城部分明代建筑如神武门(图8)、钟粹宫均有生起做法。

图7三开间古建筑立面示意图(含生起及侧脚)

图8神武门立面

紫禁城古建立柱的“生起”做法,不但使得古建筑本身在立面上有中间向两边上扬的优美的弧形曲线效果,而且在保证建筑的稳定性方面,也体现了古人的智慧。一方面,生起做法使得古建筑整体呈“凹”字形,其重心位置比不考虑生起构造要降低。低矮的重心有利于减小建筑在水平地震作用下的摇晃幅度,提高建筑整体的稳定性。另一方面,生起构造使得柱与梁(额枋)并非为纯粹的竖向与水平搭接,而是有一定的倾斜角度,使得柱头的卯口与梁端的榫头保持挤进状态,有利于提高榫卯节点的抗弯和抗侧移性能(周乾:《故宫神武门防震构造研究》,《工程抗震与加固改造》2007年第6期,第91-98页)。

《故宫古建文化漫谈》作者:周乾