榫卯結(jié)構(gòu)的科學(xué)原理及在徽派建筑中的應(yīng)用

榫卯結(jié)構(gòu)是中國古代建筑和家具制作中最常用構(gòu)件連接方式，在世界建筑史和家具發(fā)展史中具有鮮明的民族特色和重要的歷史地位。據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，榫卯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于距今約7000年前的新石器時(shí)代。1973 年，在浙江余姚河姆渡文化遺址中發(fā)掘出了大量結(jié)合完好的多種式樣的榫卯結(jié)構(gòu)遺物，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最早的榫卯結(jié)構(gòu)。榫卯結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為中國古代建筑和家具的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)，歷經(jīng)數(shù)千年的發(fā)展和演變，其應(yīng)用越來越廣泛，工藝也越來越精湛。特別在我們徽派建筑和徽派家具中應(yīng)用特別廣泛，形成了鮮明的徽派特色。接下來我們就來探究一下榫卯結(jié)構(gòu)的科學(xué)原理和其在徽派建筑和家具制作中的具體應(yīng)用。

榫卯結(jié)構(gòu)之所以能被傳承幾千年而經(jīng)久不衰，是因?yàn)樗哂袊?yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)原理。首先它運(yùn)用了摩擦力與自鎖的力學(xué)原理。榫頭和卯眼的凹凸配合，使榫頭插入卯眼后，兩者之間產(chǎn)生較大的摩擦力。這種摩擦力能夠阻止構(gòu)件在常規(guī)外力作用下發(fā)生相對位移，起到連接和固定的作用。例如，燕尾榫的榫頭形狀為梯形，插入卯眼后，由于榫肩的傾斜角度，使得榫頭在受到外力時(shí)，會越卡越緊，就像一個(gè)自鎖裝置，增強(qiáng)了連接的牢固性。

其次榫卯結(jié)構(gòu)還很好的做到了應(yīng)力分散，榫卯結(jié)構(gòu)可以將構(gòu)件所承受的荷載均勻地分散到各個(gè)連接部位。當(dāng)建筑或家具受到外力作用時(shí)，力通過榫頭傳遞到卯眼周圍的木材上，避免了應(yīng)力集中在某一個(gè)點(diǎn)上，從而減少了構(gòu)件因局部受力過大而損壞的可能性。比如在大型木結(jié)構(gòu)建筑中，梁與柱之間的榫卯連接能夠有效地將屋頂?shù)闹亓烤鶆虻貍鬟f到柱子上，保證了建筑的整體穩(wěn)定性。 接下來，榫卯結(jié)構(gòu)還充分應(yīng)用了木質(zhì)材料的彈性緩沖。木材具有一定的彈性，榫卯結(jié)構(gòu)充分利用了這一特性。在地震等外力作用下，榫卯連接的構(gòu)件可以在一定范圍內(nèi)發(fā)生微小的位移和轉(zhuǎn)動，從而吸收和緩沖外力，減小結(jié)構(gòu)的破壞程度。這種彈性緩沖作用使得榫卯結(jié)構(gòu)的建筑具有較好的抗震性能，許多古老的榫卯結(jié)構(gòu)建筑歷經(jīng)多次地震仍然能夠保存完好。還有榫卯結(jié)構(gòu)還符合幾何原理，利用不同形狀間的契合作用，榫頭和卯眼的形狀、尺寸需要精確設(shè)計(jì)和加工，以確保兩者能夠完美契合。不同的榫卯結(jié)構(gòu)形式適用于不同的構(gòu)件連接需求，例如直榫常用于兩個(gè)構(gòu)件的直線連接，燕尾榫則常用于需要加強(qiáng)連接強(qiáng)度的轉(zhuǎn)角部位等。這種精確的幾何契合是榫卯結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，只有榫頭和卯眼的形狀、尺寸完全匹配，才能實(shí)現(xiàn)牢固的連接。正是由于形狀間完美契合，使榫卯結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的穩(wěn)定性。榫卯結(jié)構(gòu)的連接方式可以使構(gòu)件之間形成穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)。例如，多個(gè)構(gòu)件通過榫卯連接形成的框架結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性和剛性，能夠承受較大的外力作用。同時(shí)，榫卯結(jié)構(gòu)還可以通過不同的組合方式，構(gòu)建出復(fù)雜的建筑和家具結(jié)構(gòu)，滿足各種設(shè)計(jì)需求。 榫卯結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特構(gòu)件連接方式和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)原理，使其在徽派古代建筑中的大放異彩?；张擅窬印㈧籼?、牌坊是徽派古建筑的“三絕”。這“三絕”當(dāng)中無不廣泛使用榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接。以徽派民居為例，徽派民居的外部是青磚灰瓦馬頭墻，內(nèi)部則是由“肥梁瘦柱”等木制構(gòu)件拼接而成。它們構(gòu)建的方式都是通過榫卯進(jìn)行連接，很少用到釘子。加上在梁柱間的斜撐、雀替等輔助構(gòu)建均是采用了榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接。建筑中的榫卯結(jié)構(gòu)種類繁多，如直榫、斜榫、透榫、半榫、燕尾榫等。在民居的梁、柱、枋等主要構(gòu)件的連接中，榫卯結(jié)構(gòu)不僅保證了建筑的穩(wěn)固性，還體現(xiàn)了建筑的美學(xué)價(jià)值。許多榫卯連接處還巧妙地融入了雕刻裝飾，使得結(jié)構(gòu)本身也成為藝術(shù)品的一部分。

榫卯結(jié)構(gòu)不僅廣泛地應(yīng)用在徽派民居的木制構(gòu)件中，其實(shí)許多石質(zhì)建筑也廣泛使用了榫卯結(jié)構(gòu)。就以徽派“古建三絕”中的牌坊為例，許多牌坊的構(gòu)件的拼接除了使用石灰糯米等材料進(jìn)行粘結(jié)外，許多石質(zhì)構(gòu)件都采用了石質(zhì)榫卯進(jìn)行拼接。使整個(gè)建筑更穩(wěn)固、更美觀。如全國唯一的八腳牌坊許國石坊，還有棠樾牌坊群中的牌坊都采用了榫卯結(jié)構(gòu)，把石質(zhì)構(gòu)件牢牢的連在一起。這些牌坊歷經(jīng)幾百年的風(fēng)雨仍然屹立不倒，充分展示了榫卯結(jié)構(gòu)的卓越性能。其實(shí)不僅是牌坊，還有石橋、河壩當(dāng)中都會看到石質(zhì)榫卯的身影。著名的屯溪老大橋、歙縣魚梁壩等石質(zhì)建筑中，都廣泛運(yùn)用了榫卯結(jié)構(gòu)來進(jìn)行建造。

榫卯結(jié)構(gòu)不僅在徽派建筑中大顯神威，而且在徽派家具的制作中也是功勛卓著?；罩葑怨啪褪悄静牡募⒌兀由匣罩莸哪芄で山硞兊木蕵?gòu)思和精湛手藝，徽派家具也是徽文化的燦爛一支。八仙桌、長條桌、官帽椅、太師椅、圈椅等特色家具，無不凸顯了鮮明的徽派特色。這些家具的制作工藝中，榫卯結(jié)構(gòu)也是其最常用制作手法。榫卯結(jié)構(gòu)的制作工藝能夠使家具更加結(jié)實(shí)和耐用，同時(shí)還保留了傳統(tǒng)家具的韻味和美感。也為現(xiàn)代家具的制作提供了無限的靈感。

正是由于榫卯結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)學(xué)中有著充分的科學(xué)依據(jù)，所以幾千年來它還在建筑學(xué)上煥發(fā)出無窮的生命力。相信它會和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)完美結(jié)合，設(shè)計(jì)建造出更加堅(jiān)固、更加美觀、更加合理的新式建筑，也為我們徽派建筑發(fā)展融入更多、更新的理念，為我們未來的生活帶來無限的遐想。

作者：程東興 黃山市屯溪現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)學(xué)校教導(dǎo)處主任一級教師

審核專家：姚小軍 黃山市屯溪現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)學(xué)校副校長、高級職稱