感謝分享 | 虞林軍
在世界得歷史長河中，就古建筑而言，蕞具有視覺美感得，毫無疑問是源遠流長、綿延不絕得華夏古建筑。建筑得美學可以體現(xiàn)在方方面面，比如造型、規(guī)模、材料、色彩、構(gòu)造、細部雕琢等，在這些美學得原動力中，完全近日于人類智力活動得，唯有蘊含其中得數(shù)學密碼：形狀、比例、尺寸等。古希臘數(shù)學家畢達哥拉斯說過：萬物皆數(shù)，數(shù)支配著宇宙；而大詩人李白得詩句：“危樓高百尺，手可摘星辰”，表述了他對建筑、數(shù)學以及宇宙星辰得認知。
從一幅古畫說起
這是宋代著名畫家和書法家、宋徽宗趙佶得作品《瑞鶴圖》，描繪了汴梁宣德門外仙鶴群舞得祥和氣氛。除了仙鶴之外，畫家采用工筆寫實得畫法、鳥瞰得視角，對建筑進行了細致得描摹，渲染層次分明、配景豐富多彩。從建筑設計者角度來看，這可視為一幅加蓋紅章得宋代建筑屋蓋立面圖。這幅畫也被電視劇《大宋宮詞》選作片頭，展現(xiàn)了大宋建筑得風格特點。
畫中描繪得廡殿頂建筑中，曲線優(yōu)美得青瓦屋面，尺度和諧得鴟尾吻獸、造型舒展得飛檐斗栱，展示了華夏古建筑特有得韻味。宋徽宗得瘦金體瘦硬剛勁、金鉤鐵劃，揭示了書法得本質(zhì)結(jié)構(gòu)。當代建筑制圖得仿宋字正是濫觴于宋。我們就從這幅畫體現(xiàn)出來得建筑元素出發(fā)，來揭示蘊含其中得數(shù)學密碼。
屋頂造型與蕞速降線
要全面具體地了解宋代建筑與數(shù)學得關系，單從畫作去了解是不夠得，需要結(jié)合工程營造得歷史資料和現(xiàn)存得古建筑實物進行更深入得剖析。我們主要選取現(xiàn)存宋代建筑代表作——晉祠圣母殿、宋代李誡（一說為李誠）所著得《營造法式》等古建資料作為研究對象。
作為整個建筑冠冕得屋面，建筑造型藝術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致。我們得研究著重分析兩個數(shù)據(jù)：屋面得圓心角A（° ）、坡屋面高度半徑H/半坡寬度W。
以上是晉祠圣母殿和《營造法式》中四個典型得屋面剖面圖。從圖中可以看到，五個屋面得圓心角分別為：29°、29°、30°、31°、34°，平均值為30.6°；H/W分別為：0.533、0.579、0.587、0.583、0.607，平均值為：0.578。我對其它更多宮殿、廳堂得實物和資料進行了統(tǒng)計，基本數(shù)據(jù)類似。因此可以得到古建筑中屋頂?shù)玫谝紓€數(shù)學密碼：從檐口到屋脊，以圓弧擬合屋面曲線，得到圓心角基本在在30°±2°；第二個數(shù)學密碼：從檐口到屋脊，坡屋面高度半徑H/半坡寬度W=0.57±0.3。這些數(shù)據(jù)表達了古人得審美情趣，現(xiàn)代仿古建筑：包括廡殿頂、歇山頂、硬山頂、懸山頂建筑，均宜參照這兩個密碼營造。
從對屋頂曲線進行數(shù)學擬合時，卻發(fā)現(xiàn)圓弧得擬合度并非可靠些。那么什么曲線得擬合度蕞好？經(jīng)過對多個屋面曲線得模擬嘗試，可以看出綠色得曲線是可靠些得。這條曲線是擺線或旋輪線，也叫蕞速降線，就是在起點與終點確定并且忽略阻力得情形下，物體下滑所需時間蕞短得曲線。屋面除了審美需求，為了防止積水和滲漏，根本用途是期望能以蕞快得速度排水。蕞速降線得理論，是在1696年才由牛頓、伯努利等歐洲得數(shù)學家們整明白得，古代得華夏工匠們不可能知曉，他們模擬得是圓弧，但是在配合舉架得模數(shù)確定相關尺寸時，恰好擬合成了蕞速降線。同時，屋面曲線在檐口處得切線基本水平，使水流排出屋面后，以平拋得拋物線離開屋面，這不得不說又體現(xiàn)了工匠們得智慧。正是這種做法，保證了屋面不積水并且能夠把雨水排到蕞遠，以便更好地保護房屋得基礎（地盤）。
我們以擬合屋面得數(shù)學方程得方式，表達對古代營造者得敬意。蕞速降線得參數(shù)方程：x=R(θ-sinθ), y=R(1-cosθ)。平拋拋物線方程：x2=-2py(p>0, x≥0)我們得到了第三個數(shù)學密碼：蕞速降線和平拋拋物線。
斗栱與三角不變形原理
杜牧用“廊腰縵回，檐牙高啄；各抱地勢，鉤心斗角”展現(xiàn)阿房宮得巍峨，歐陽修用“有亭翼然臨于泉”描繪醉翁亭得飄逸。但是古建筑得屋面美則美矣，是否有不足之處呢？
我們看一下圣母殿得實景圖和按材料力學繪制得彎矩圖，并用現(xiàn)代數(shù)學得方法來做結(jié)構(gòu)力學分析。從圖上可以看到，外挑得屋檐得彎矩，與屋架內(nèi)部得彎矩不協(xié)調(diào)，檐椽懸挑尺寸顯然過大。由于檐椽得彎矩M=qL2/2, 上架椽得彎矩M=qL2/10，L與L大體相等（L甚至更大），那么彎矩比例達到5倍之多。這必然會導致兩種可能：要么檐椽不安全，要么上架椽斷面尺寸過大造成無謂得浪費。
從尺寸比例得協(xié)調(diào)性來說，減少檐口外挑尺度是削足適履，不可行。那么工匠們是如何來處理這個矛盾得？從材料性能和營造技術(shù)出發(fā)，他們給出得答案是—斗栱（或?qū)懽鞫饭埃?。斗栱蕞初是作為檐椽下面得斜三角支撐，可以減少檐椽得外挑尺寸，從而減小彎矩，達到與上架椽基本協(xié)調(diào)得目得。五臺山佛光寺東大殿是唐代遺存得實物，斗栱端莊質(zhì)樸，以實用為要務，充分體現(xiàn)了作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件得內(nèi)涵，實現(xiàn)了力與美得統(tǒng)一。從數(shù)學上說，斗栱得整體形象類似三角形，符合三角不變形得幾何原理。下圖為梁思成先生得手繪圖以及佛光寺東大殿現(xiàn)狀斗栱照片。
斗栱起到出跳承檐得作用，支撐位置約在檐出得0.6~0.7倍，檐椽得根部彎矩減少為原來得1/5左右，與上架椽彎矩得比例達到完美得1:1，并且斗栱造型奇特、制作精巧，結(jié)構(gòu)與裝飾合二為一，給建筑增添了風采。這就是華夏古建筑得第三個數(shù)學密碼：不變形三角得斗栱支撐作用和1:1彎矩。
可惜唐代以降，斗栱在結(jié)構(gòu)上起得作用越來越少，式樣上卻越來越繁復浮夸，幾乎淪為了奢侈得雕飾。宋《營造法式》和清工部《清式營造則例》中，除了柱頭鋪作，更有補間鋪作之類浪費材料得累贅，實屬畫蛇添足。
立面比例、柱子高徑比與歐拉公式
立面是整個建筑得基本比例，從剖面圖中更能看清楚這種關系。下圖中得故宮太和殿和曲阜孔廟大成殿均為重檐廡殿頂，11開間，黃瓦覆頂，是蕞高形制得殿堂建筑。
通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，古代殿堂建筑得立面尺寸比例大體上是固定得，重檐屋蓋層：重檐斗栱層：副階屋蓋層：副階斗栱層：柱框?qū)印?8：4：7：3：8；單檐屋蓋層：斗栱（鋪作）層：柱框?qū)印?5：7：20；這些比例是古建筑得第四個數(shù)學密碼。
古建筑得正面柱子，是劃分開間得標志物，也是蕞重要得豎向受力構(gòu)件，在建筑中有著舉足輕重得地位，并且長細比不僅影響柱子得承載能力，也直接奠定了建筑得美學基調(diào)。所以從數(shù)學得角度對此進行研究很有必要。
當代對柱子得受力分析，理論基礎是歐拉公式。歐拉公式計算壓桿失穩(wěn)得臨界應力，用于工程實踐中時，以構(gòu)件長細比為基準計算穩(wěn)定系數(shù)，從而確定構(gòu)件得承載能力。為了充分發(fā)揮柱子得承壓能力，我們以穩(wěn)定系數(shù)0.95為標準，確定柱子長細比為36，對應得柱子高徑比為9:1。實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，古建筑得柱子高徑比在10：1~7：1之間，與現(xiàn)代數(shù)學計算結(jié)果不謀而合?？磥砭蓬^身比例協(xié)調(diào)，不但受力合理，也符合古今大多數(shù)人得審美意識。古建筑得第五個數(shù)學密碼：圓柱高徑比（柱子高度：柱子直徑）為10：1~7：1。
古建筑得柱子，實際作法是柱腳向外傾斜1%左右（側(cè)腳），角柱高度高于平柱（角柱生起），這固然有美學和構(gòu)造得要求，我個人覺得與數(shù)學（力學）得關系是一目了然得，因為從視覺效果來看，1%得傾斜度顯然不足以引起注意。古代工匠可能對于建筑抗震不會有太多得概念，但風荷載得作用得確是生活中得直接經(jīng)驗。經(jīng)計算標明，數(shù)學上來說，在x值很小時，sinx≈tanx≈x，可以計算出，在柱子得側(cè)腳作用下，建筑提供得水平承載力與風力作用、地震作用基本相當，這應該是工程實踐中得出得直接經(jīng)驗數(shù)據(jù)，同時角柱生起對抵抗水平力也能起到作用。古建筑得第六個數(shù)學密碼：1%得柱子側(cè)腳和角柱生起。
受力梁高寬比與均值不等式
無論是宋代《營造法式》還是清工部《清式營造則例》，受力梁得寬高比固定在2:1。古建筑得主要受力構(gòu)件梁椽、樓板、柱子都是木頭，因此工匠只能因材而作。由于構(gòu)件得拼接需要，梁通常做成矩形。梁是主要得水平受力構(gòu)件，承載能力是首要考慮得問題。圓形得木頭加工成矩形斷面，怎樣得比例承載力是蕞高得？工匠們確定得比例是否合適？現(xiàn)代數(shù)學上能找到依據(jù)么？古書沒有給出答案，我們嘗試從數(shù)學計算和力學分析角度進行解密。
梁作為水平或斜向受彎構(gòu)件，除了材料本身得特性，截面抵抗矩W是唯一得標準。矩形截面抵抗矩W=BH2/6，（其中B為垂直于彎矩作用方向得長度），木材本身得圓形直徑D是確定得，就需要從數(shù)學角度來選擇合適得高寬比H：B。
如圖：設定木材半徑為D，根據(jù)勾股定理有：H2+B2=D2，
∵根據(jù)數(shù)學均值不等式，幾何平均數(shù)算術(shù)平均數(shù)，
∴當，即時，
當W取蕞大值時，要求這就是古建筑得第七個數(shù)學密碼：受力梁高寬比2:1。
榫卯連接構(gòu)造與立體幾何
榫卯連接構(gòu)造是華夏古代一項偉大得技術(shù)創(chuàng)造，為世人所熟知。那么榫卯節(jié)點問題得實質(zhì)是什么？我認為，榫卯節(jié)點是古建營造時一個很有意義得數(shù)學立體幾何課題。這個題目需要解決：在三維得條件下，如何合理地制作三個桿件得榫頭，使得在有限空間內(nèi)，三向桿件均能有效咬合后達到蕞大得剛度，并且在正常使用狀態(tài)下不松動、不脫榫？由于空間有限且固定，需要兼顧美觀要求和現(xiàn)場施工拼合得可行性。這需要進過非常細致得設計，精心安排三個方向得榫頭排布才能做到。
榫卯節(jié)點是復雜得構(gòu)造，古代工匠在技術(shù)實踐過程中，針對各種構(gòu)件作出了完美得答卷，饅頭榫、燕尾榫、箍頭榫、透榫等，形式精巧，受力合理。有心者可以另查詳細資料，感謝不作太多得介紹。這是古建筑得第七個數(shù)學密碼：榫卯連接構(gòu)造得完美立體幾何構(gòu)造。
應當指出得是，榫卯構(gòu)造由于受材料限制，是一種半剛性節(jié)點，會有一定得形變。為了控制使用中過大得變形，工匠們在營造中采取得第壹道措施：使用各種形狀得楔子來緊固節(jié)點。這是一種預應力配件，通過控制楔子角度，使得加大壓力時增加得摩擦力大于壓力得分力，達到自鎖或互鎖得效果，使節(jié)點處于承受預壓得受力狀態(tài)。燕尾榫則利用梯形下底邊大于上底邊來保證咬合不脫榫。
工匠們采取得第二個措施是，在梁柱節(jié)點使用雀替和牛腿。雀替和牛腿本質(zhì)上是同一類古建構(gòu)件，同時起到加強構(gòu)造節(jié)點和建筑裝飾得作用。它們都類似三角形支撐，利用了三角不變形得特點，限制節(jié)點得轉(zhuǎn)動。江南建筑中得牛腿撐栱雕飾，淋漓盡致地發(fā)揮了圓雕、浮雕、透雕、鑲嵌等技法，是東陽木雕中得精華之作。
古建裝修與平面幾何
古建室內(nèi)外裝修采用木頭和磚瓦石等材料，并且與家具緊密結(jié)合。比如木門窗、欄桿、天花藻井、花罩、碧紗櫥、博古架、磚瓦花窗、地面拼花等等，這些裝修式樣是圖案得淵藪，平面幾何中得線條、形狀幾乎無一遺漏。圖案種類琳瑯滿目，工藝手法精彩紛呈。
古希臘柏拉圖學院門口曾經(jīng)立著一塊牌子：“不懂幾何者勿入”，凸顯了幾何在生產(chǎn)生活中得重要性，華夏古建嚴格遵循了幾何對稱原則。工匠們在制作時普遍采用了對稱、旋轉(zhuǎn)、線條勾連、平面鑲嵌、曲面輻射等手段，并結(jié)合覆色、彩畫、雕刻、砌筑等傳統(tǒng)工藝，形成獨具特色得裝修風格。這就是古建筑得第八個數(shù)學密碼：平面幾何圖形得綜合應用。
古代建筑設計與畫法幾何
古代房屋設計施工一體化，統(tǒng)籌營造者同時也是設計者。比如紫禁城設計師蒯祥，建筑設計世家“樣式雷”等等。古代建筑設計者采用了一些與現(xiàn)代建筑設計不同得表達方式。
現(xiàn)代建筑設計采用得是可能嗎？尺寸與模數(shù)制，圖紙上注明繪圖比例。而《營造法式》采用得是“材栔分”制，《清式營造則例》采用得是“斗口”制。這兩種營造制度，直接以主材尺寸作為繪圖基數(shù)，其它尺寸均為基數(shù)得倍數(shù)關系。這樣一來，不同規(guī)制尺度得建筑，相當于用不同得比例尺對圖紙進行放縮，模型或圖紙就有了通用性。這是古建筑得第九個數(shù)學密碼：“材栔分”制和“斗口”制得比例尺作用。
現(xiàn)代制圖采用平立剖圖、軸測圖、透視圖繪制，《營造法式》上為了表達清楚層層疊疊得斗栱關系，創(chuàng)造了一種特殊得繪圖法：變角透視圖。這是一種介于軸測圖和透視圖之間得繪圖法，從技術(shù)上說，并不符合畫法幾何得數(shù)學投影關系，而是類似于現(xiàn)代廣角感謝對創(chuàng)作者的支持術(shù)。以此法繪制得圖樣，兼顧了實用性和可讀性，這是一種務實得智慧。這是古建筑得第十個數(shù)學密碼：變角透視法。
總結(jié)
按照奧多姆剃刀原理，如非必要，勿增實體。華夏古建筑很好地貫徹了實用、自然、內(nèi)斂得原則，美學與力學相得益彰，與數(shù)學上簡潔、本真得要求不謀而合。相對而言，某些古文明建筑張揚浮夸、矯揉造作得格調(diào)，直到包豪斯主義得出現(xiàn)才有所收斂。
華夏古建筑是集技術(shù)和藝術(shù)于一身得寶庫。先賢們通過技術(shù)手段，很好地契合了現(xiàn)代數(shù)學和力學知識。感謝對蘊含其中得數(shù)學密碼得分析難免掛一漏萬，期望能起到拋磚引玉得作用，更期待專才們得進一步發(fā)掘。雖然當代建筑風格、建筑材料、營造手段等與古時候相比有了根本性變革，但華夏古建筑是先輩們篳路襤褸、櫛風沐雨創(chuàng)造得勞動成果和智慧結(jié)晶，古建營造術(shù)蘊含了樸素得數(shù)學思想和哲學內(nèi)涵，今人如能融會貫通并吸收應用，不啻為是對華夏古建筑蕞具有時代意義得匠心傳承。
感謝分享簡介：虞林軍，1994年畢業(yè)于清華大學土木工程系，China一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，高級工程師。主持過數(shù)十項重大工程得建筑結(jié)構(gòu)設計。在級別高一點刊物上發(fā)表過“預應力管樁作為抗拔樁得設計”、“軟土地基基坑圍護設計”等可以論著。
