山西恒山的北魏悬空寺,是中国现存时间最早并保存最完成的高空木构摩崖建筑。因其像一幅玲珑剔透的浮雕,镶嵌在万仞峭壁之上,远远看去整个建筑凌空欲飞,被称为中华古代文明的奇迹之一。数十吨重的建筑物,看上去仅仅靠着十几根摇摇晃晃的木柱子,竟然可以挂在20层楼高的悬崖上长达1500年之久,而且历经多次地震仍然没有损毁。
我们常形容空中楼阁是不切实际的幻想,然而这种梦幻美景变成现实往往也能成为令人惊叹的建筑。恒山悬空寺便是“空中楼阁”中的翘楚,看到这组建筑群,你也会由衷感叹1500多年前古人的想象力能吊打自己这个现代脑瓜也说不定。
“悬空寺,半天高,三根马尾空中吊。”这是当地流传的一句民谣,讲的是悬空寺,“悬挂”在半山处,看起来十分惊险,只有几根细细长长的杆子在勉力支撑着庞大的建筑群,堪称险绝奇。
今天我们来一窥悬空寺,“玄之又玄”,悬而不空的“众妙之门”。
看着悬空寺的照片,第一眼的感觉是这伶仃的细杆看着就让人胆战心惊,还不及碗口粗,心中不禁捏一把老汗,着实佩服敢于上山参观的勇士们。
其实这种担忧大可不必。悬空寺最大的秘密就在于它的受力结构,是建筑下面支撑的立柱其实让各位看官“着相”了 ,真正受力的结构另有其“人“。
啊,这个时候,我不由地想要吟诗一首。
噫吁嚱,危乎高哉!蜀道之难,难于上青天!
听到这里,有观众肯定想说我这跑题跑得有点远,从山西一下奔着四川去了,风马牛不相及啊。
可能你没有发现,古蜀道和这悬空寺有点亲戚关系。怎么样,有了这点线索,有没有点恍然大明白的感觉呢?还没有,我再给一点提示,古蜀道的修建形式是木制栈道,悬空寺主要的受力结构,就是参考了木栈道的修建方法,从中找到灵感,凭空起高楼的。这可不是我在这里空口白牙地干说呵,《恒山志》中这是有记载的。
简单说来,就是八个字,敲石凿孔,插木为梁。
这些插入石壁的横梁共27根,直径有50厘米左右,当地人称为铁扁担。可别小看这几根木头,根根是好汉,正是他们挑起整座悬空寺。
其实,这些铁扁担是活用膨胀螺栓原理和杠杆原理的经典示范。
在横梁插入岩石凿孔前,在木梁进入的一端打一个木楔子,木梁打进石孔后,等木楔子到了头,木梁这边再用力敲击深入,木楔子的尖端就像一把小斧头,给木梁劈出一个燕子尾巴,两部分牢牢撑住孔洞的石壁,跟现代的膨胀螺栓一个道理。
这样建筑的主体其实依靠的是背后岩石的刚度在支撑自身体重,而杠杆原理的应用则又展现一重机巧。别看横梁在岩石外裸露的长度仅有一米,但是在岩石里面的长度则要长不少。有学者建模计算,比例应该在0.26,算下来,横梁有3米是紧紧“埋”在岩石之内的。
中学物理老师这个时候要冒个泡啦,还记得杠杆原理的公式么:动力×动力臂=阻力×阻力臂,算下来,岩壁只要承受大概三分之一的悬空寺体重作用就好了。
当然这木梁是联系楼体和石壁的重要节点,自身也得争气不是。
“选用的木材是当地产的铁杉木,质地坚硬、纹理均匀、年轮清晰;干燥后的木梁的物理性能极佳,有较高的耐磨度且尺寸稳定。”而且这些木梁都经过桐油浸泡,作防腐处理,防止虫蚀与风蚀。
至于我们之前提到的立木,实际并不荷重,很多到过悬空寺的人会发现,立木很多是可以摇晃的。学者根据史料整理,最先建成的悬空寺,那是真悬空,并没有下面的立木,这些立木是后人加上的,在视觉上起到了“安全”的功能,障眼法而已。这些立木,只有在寺院有人进入时,才起到支撑的作用,也不是为了承重,而是为了调节楼阁的水平。
我们破解了悬空寺悬而不空的秘密,它还有另外一重秘密,就是历经数次大小地震,它是如何通过这些考验的呢?谜底将在下集揭晓。
参考文献:
悬空寺“悬而不险”的力学揭秘 许月梅
探析《考工记》中结构美对工匠精神的启发 张 越 王心旭
工程技术支撑和制约的山岳风景区景观建筑设计研究 赵强
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