现存的宋代以前的单层木构建筑中,三开间的殿堂有10余栋,占有50%的比例,从其平面布局来看,虽然皆为三间,但在进深方向的安排有所不同,大体可以分为两类:
第一类室内仅仅划分成前后两间,即放置一排内柱:有的位置居中,实例如天津独乐寺山门(图5-5a、b)。有的从山面看前后分作三间,室内仅有位置靠后的一列内柱,实例如山西平遥镇国寺大殿、河北新城开善寺大殿、河北涞源阁院寺文殊殿(图5-6a、b)、山西平顺龙门寺大殿(图5-7a、b)、山西晋城青莲寺大殿(图5-8a、b),山西高平开化寺大殿(图5-9)等。这些殿宇室内皆为彻上明造,内柱高低不同,有的与外檐柱同高,有的内柱升高。构架中铺作除在外檐一周设置之外,在内柱柱头部位大多做了简化。它们在外檐具有较为完备的铺作层,在内檐尚未形成铺作层,在抵抗外力的能力方面较弱。
图5-5a 天津独乐寺山门剖面图
图5-5b 天津独乐寺山门平面图
图5-6a 河北涞源阁院寺文殊殿剖面图
图5-6b 河北涞源阁院寺文殊殿平面图
图5-7a 山西平顺龙门寺大殿剖面图
图5-7b 山西平顺龙门寺大殿平面图(www.xing528.com)
图5-8a 山西晋城青莲寺大殿剖面图
图5-8b 山西晋城青莲寺大殿平面图
第二类室内在进深方向作三间,形成四内柱的做法,实例如福建福州华林寺大殿(图5-10)、浙江宁波保国寺祥符殿、福建莆田玄妙观三清殿等。这些殿宇内柱皆升高,构架中除外檐一周设置铺作之外,在四内柱上除设有柱头铺作之外,其他部位还设有各种不同形式的铺作,借此加强内外柱之间的联系,受力状况较第一类有所改善。
然而深入的分析一座建筑构架的受力能力如何,还应具体到每一个受力构件的承载力如何,是否具有科学性,使用肥梁胖柱的木构建筑,不仅会浪费材料,而且未必受力性能好,关键是受力构件本身的断面形式是否科学。
图5-9 山西高平开化寺大殿剖面图
图5-10 福建福州华林寺大殿剖面图
祥符殿拱、枋用材断面的高宽比为3∶2,大多数梁栿构件如三椽栿、乳栿的高宽比在3.46∶2,这样的断面比例反映了最高的出材率,同时可以达到最理想的受力效果。据18世纪末至19世纪初的一位英国科学家托马斯·杨(Thomas.Young)在研究木梁受力状况时,通过实验得出的结论是:“木梁断面高宽比为∶1时强度最高,∶1时刚性最好,1∶1时稳定性最好。”[18]但是在他之前,西方的科学家并未认识这一点。翻开材料力学发展史即可看到,在欧洲文艺复兴时期,达·芬奇曾提出:“任何被支撑而能自由弯曲的物件,如果截面和材料都均匀,则距支点最远处,其弯曲也最大”,并进一步指出“两端支撑的梁的强度与其长度成反比,而与其宽度成正比”(这里的“宽度”一词意思即梁的断面高度)。后来到了17世纪,伽利略又提出:“任一条木尺或粗杆,如果他的宽度较厚度为大时,则依宽边竖立时,其抵抗端裂的能力,要比平放时为大,其比例恰为厚度与宽度之比。”[19]伽利略的认识比达·芬奇进了一步。但这两位科学家的论点还仅仅停留在一般的力学概念上,而中国的工匠在11世纪建造建筑所采用的拱枋、梁栿,对构件高宽比有了明确的比例数值,使其不但具有最高的出材率,而且具有较好的强度和刚度。更令人惊讶的是它们早于托马斯·杨的实验数据几百年。
从上述祥符殿与《营造法式》制度的诸多惊人的相同之处,可以认为它代表11世纪初最先进的木结构技术,例如用材制度,是当时采用的最具有科学性的一种结构模数制,它是一种双向尺寸,即受力构件的横断面,“材”的断面比例关系至关重要。被官方颁布并海行全国的建筑《营造法式》所吸纳,成为产生中国优秀建筑典籍的基础,作为指导全国官式建筑工程的技术标准。其中有些内容不但指导着中国木构建筑的发展,而且在世界科学史上闪烁着光辉。
国际著名科学史家李约瑟博士曾经指出:中国在19世纪以前科学技术成就领先于世界几百年。美国的费正清博士称“宋代是伟大的创造时代”[20]。北宋建造的保国寺及祥符殿正是这个伟大创造时代的产物。
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