中国古代建筑的结构设计涉及两个方面:一方面是从中国建筑特殊的造型规律出发,通过特殊的结构手段,来达到造型的目的;另一方面就是整个建筑的支撑体系,即所谓结构形式。
中国古代建筑的结构形式若就木结构本身而言,其结构形式有抬梁式、穿斗式、井干式、伞架式和斜梁式等几种,其中主要的是抬梁式和穿斗式两种。若从各种建筑材料及其结构形式全面地看,除了上述几种木结构形式以外还有砖石拱券结构(陵墓地宫、“无梁殿”、桥梁等)、生土结构(窑洞)、墙承重结构(山墙搁檩)、筒体结构(塔)等。
1.抬梁式结构
抬梁式结构是中国古代建筑最主要的结构形式,其做法是在柱子上抬起大梁,梁上承载童柱,童柱再抬起上一层的梁,梁上再承载童柱,如此层层叠起,所以抬梁式又叫“叠梁式”。抬梁式结构的优点是用材粗壮,因而建筑风格厚重雄壮,柱距较大,内部空间较宽阔,其缺点是耗材过多,费材料。
抬梁式结构是中国古代官式建筑的结构形式,也是北方建筑的基本结构形式。在北方,从皇家宫殿到寺庙殿堂,再到普通百姓的民居都采用抬梁式。在南方,只有大型建筑,如寺庙、会馆、祠堂的大殿才用抬梁式结构。
2.穿斗式结构
穿斗式结构也是中国古代建筑最主要的结构穿斗式结构形式之一,其做法是用较薄的枋穿过柱子,叫“穿枋”,瓜柱(童柱)骑跨在穿枋上,叫“骑马瓜柱”,由柱、瓜柱、穿枋构成屋架,檩子直接落在柱和瓜柱之上。因为穿枋穿过柱子,把整个屋架拴接成一个整体,因此穿斗式结构的整体性比抬梁式强。
穿斗垫势民居
穿斗式结构的优点是:用材较小,节省材料,建筑风格轻巧;结构整体性强,一榀屋架就是一个整体,抗风抗震性能好。其缺点是屋架中柱间跨度不大,柱网较密,内部空间受到限制。
穿斗式结构的构架中没有梁,只有枋。在中国古建筑的标准构架(即官式的,抬梁式构架)中,顺着屋架方向的水平构件是梁,梁是承重构件,屋架和屋顶的重量全部落在梁上。垂直于屋架方向的水平构件是枋,枋一般是不承重的,主要起联系作用,将各榀屋架联系起来。而在穿斗式结构中,纵向的、横向的都是枋,顺着屋架方向的是穿枋,它代替了梁,起承重的作用,垂直于屋架方向的是联系枋。
穿斗式只是南方民间建筑的结构形式,广泛用于民居、寺庙、祠堂、会馆等建筑中。但是在南方有些寺庙、祠堂、会馆中的主要殿堂常用抬梁式结构或抬梁和穿斗相结合的结构形式。
这是由两种结构的不同特点决定的,因为抬梁式柱间跨度大,适宜于殿堂等内部空间较大的建筑,而穿斗式柱网较密,不太适宜于这类建筑。因为穿斗式结构是南方民间建筑的结构形式,所以官方的建筑典籍《营造法式》中没有提及。姚承祖所著《营造法原》,是对南方地区的民间建筑比较全面的总结,其中对穿斗式结构有比较详细的论述。
井干式建筑
3.井干式结构
井干式结构其实并非什么“结构”,就是用原木平行并列拼成墙壁,四面围合,直接支撑屋顶,不用屋架。这种建筑形式并不是中国独有的,许多国家都有。因为它耗材较多(全部墙壁都用原木做成),所以一般只在盛产木材的林区采用这种形式。
伞架式建筑
4.伞架式结构
伞架式结构是专门用于攒尖式屋顶的结构形式。攒尖式屋顶常见的有四角、六角、八角和圆形。攒尖式屋顶结构的中央最高处必有一根童柱,叫“雷公柱”,用以支撑尖顶。
所谓“伞架式”就是用斜梁斜向支撑雷公柱,组成一个类似雨伞的结构形式。如果用抬梁式或者穿斗式结构来承载雷公柱,其大梁或穿枋势必在雷公柱下部的同一水平高度的中心处相交,每根梁枋都必须开榫口互相咬合,这些互相交叉的梁枋在受力最重的关键点上却要开榫口,势必削弱其强度。
八角亭
四角攒尖是两根梁相交,还勉强可以,而六角攒尖是三根梁相交,八角攒尖是四根梁相交,在这种情况下要开榫口互相咬合,在受力上就是很不合理的了。伞架式结构就很好地解决了这一问题。这种结构形式在《营造法式》中已有介绍,叫“亭榭攒尖”。所谓“亭榭攒尖”是因为亭子和楼榭建筑常采用攒尖顶,而亭子、楼榭、攒尖这些名称都是指的建筑形式和式样,没有概括出建筑结构的特点,所以作为一种结构形式叫“亭榭攒尖”是不准确的,而且亭子和楼榭建筑也并不一定是采用攒尖顶。
5.斜梁式结构
这是一种比较特殊的结构形式,它是穿斗式结构的发展,即在穿斗式屋架之上再加两根斜梁,檩子落在斜梁上。
这种结构形式与一般的穿斗式和抬梁式结构都不同,穿斗式和抬梁式屋架的檩子都是和梁柱相对应,每根檩子都对应着一根柱子或童柱(瓜柱)。穿斗式是每根檩子都直接落在一根柱子或童柱上,抬梁式的檩子虽不是直接落在柱子或童柱上,而是落在大梁上,但是檩子的位置都是在柱子或童柱的正上方,斜梁式的不同之处就在于柱子和童柱支撑斜梁,斜梁斜梁式结构(湖南江华坪冲口村瑶族民居)再支承檩子,檩子可以落在斜梁上的任何地方,不必和斜梁下的柱子、童柱的位置相对应。这样,斜梁下面的屋架就可以减去一些柱子、童柱和梁枋构件,节省很多材料。
例如湖南湘西苗族民居中常用斜梁式结构,就减去了很多童柱和穿枋,屋架虽显得有些简陋,但很实用,很节省。这种斜梁式结构主要流行于西南部分地区的民居建筑,特别是少数民族民居建筑中,例如湖南苗族民居、瑶族民居、云南傣族民居、四川凉山彝族民居的屋架都采用这种斜梁式。
苗族民居
6.砖石拱券结构
砖石拱券结构是古代砖石建筑技术发展的产物。中国古代的砖石技术首先是从陵墓地宫、地下给排水设施、桥梁等建造过程发展而来。砖石拱券的特点是不需要用大型构件(柱、梁、枋等),只用小块的建筑材料(砖块、石块)就砖石拱券建筑(北京天坛斋宫)能做出大跨度的空间。砖石拱券建筑的形象厚重朴实,庄严肃穆,常被用来建造祭祀性、纪念性建筑。除此之外,最大数量的砖石拱券结构建筑还是陵墓地宫和桥梁。
7.承重墙结构
所谓承重墙结构,就是不用屋架,完全依靠墙体承重。在中国古代的砖木结构、土木结构、石木结构建筑中都有承重墙结构的建筑。这类建筑的特点是不能做大空间,每个开间之间都有墙壁,屋顶檩子两头直接搭在墙上,民间称“山墙搁檩之为“山墙搁檩”。因为不能做大空间,所以这种形式一般只用于民居以及一些民间的小寺庙等建筑中。
悬山建筑稍间的檩木不是包砌在山墙之内
8.筒体结构
铺作层中国古代建筑中的筒体结构一般只用于特殊的建筑一一塔,其结构形式和结构原理有点类似于现代高层建筑和超高层建筑的结构,只楼面层是所用材料不同,现代高层建筑筒体结构采用平座铺作层叉柱造钢材或钢筋混凝土,古代的筒体结构采用砖石和木材。
铺作层
中国古代塔的筒体结构有两种类型。一类是砖木结构的塔,其中央是一个砖石砌成的塔暗层柱网心,周围环绕一层层的木构楼阁。其结构原理实际上就是中央一个砖石的“筒”,四周环绕中央筒搭建木构的“框架”,就相当于今天高层建塔体“框架筒”结构筑的“框架筒”。
砖雕铺作层
另一类是纯砖石结构的塔,其结构形式是中央一个砖石构成的筒体,外壳又是一个砖石筒体,内外两层筒体之间是楼梯踏步盘旋而上,楼梯踏步就成了两层筒体之间的联系,这就相当于现代高层建筑的“套筒”(“筒中筒”)。