材料力学论文

中国古代的材料与结构一、前言中国是一个历史悠久、文化源远流长的国家。

经历了绵绵五千年的历史沉积，中国文化在中华民族的传承中不断得到发展。

而文化的沉淀，不仅仅凝聚在优雅的诗词和动人心弦的历史故事中，更多的是以建筑的物质形象存在于我们身边，以具体的技术体现在我们使用的工具中。

中国古代没有现在高端的技术与高效精密的工具设备，使用的材料也都是通过粗制加工后得到，然而中国古代的许多建筑在经历了几千年的风吹雨打后仍屹立于世，备受世人感叹。

它们不仅是前人的智慧的结晶，更是世界的瑰宝。

二、中国古代建筑的材料与结构放眼中国古代的建筑，可谓是丰富多彩。

其中最常见的有木结构、石木结构，如布达拉宫等藏式古建筑；有石结构，如石牌楼、石桥及部分地区的长城等；有土结构，如秦汉时期的长城、延安陕北地区的窑洞等；有砖结构，如影壁、围墙等；还有竹建筑，如南方少数民族地区的竹楼等。

而根据不同建筑的结构特点，中国古建筑所用的建筑材料主要有：木材、砖瓦、石材、土、竹子等。

（一）中国古建筑的发展历史1.原始雏形早在五十万年前的旧石器时代，中国原始人就已经知道利用天然的洞穴作为栖身之所，北京、广东、湖北、浙江等地均发现有原始人居住过的崖洞。

到了新石器时代，黄河中游的氏族部落，利用黄土层为墙壁，用木构架、草泥建造半穴居住所，进而发展为地面上的建筑，并形成聚落。

长江流域，因潮湿多雨，常有水患兽害，因而发展为干栏式建筑。

据考古发掘，约在距今六、七千年前，中国古代人已知使用榫卯构筑木架房屋，如浙江余姚河姆渡遗址。

木构架的形制已经出现，房屋平面形式也因功用不同而有圆形、方形、吕字形等。

这是中国古建筑的草创阶段。

春秋、战国时期，中国的大地上先后营建了许多都邑，夯土技术已广泛使用于筑墙造台。

此时木构技术较之原始社会已有很大提高。

春秋、战国的各诸侯国均各自营造了以宫室为中心的都城。

这些都城均为夯土版筑，墙外周以城濠，辟有高大的城门。

宫殿布置在城内，建在夯土台之上，木构架已成为主要的结构方式，屋顶已开始使用陶瓦。

这标志着中国古代建筑已经具备了雏形，不论是夯土技术、木构技术还是建筑的平面布局、以及建筑材料的制造与运用，都达到了雏形阶段。

2.第一个高潮西元前221年，秦始皇统一六国，建立秦朝，动用全国的人力、物力在咸阳修筑都城、宫殿、陵墓。

此外，又修筑通达全国的驰道，筑长城以防匈奴南下，凿灵渠以通水运。

汉代继秦，也进入大规模营造建筑时期。

汉武帝刘彻先后五次大规模修筑长城，又兴建长安城内的桂宫和西南郊的上林苑。

总秦、汉五百年间，中国古建筑在自己的历史上出现了第一次发展高潮。

其结构主体的木构架已趋于成熟，重要建筑物上普遍使用斗栱。

屋顶形式多样化，庑殿、歇山、悬山、攒尖、囤顶均已出现，有的被广泛采用。

制砖及砖石结构和拱券结构有了新的发展。

3.第二个高潮隋朝虽然是一个不足四十年的短命王朝，但在建筑上颇有作为。

它修建了都城大兴城，营造了东都洛阳，开凿了南起余杭（杭州），北达涿郡（北京），东始江都，西抵长安（西安），长约2500公里的大运河。

炀帝大业年间，名匠李春在现今河北赵县修建了一座世界上最早的敞肩券大石桥安济桥。

赵州桥唐代在都城和地方城镇兴建了大量寺塔、道观，并继承前代续凿石窟佛寺、西安慈恩寺大雁塔、荐福寺小雁塔、兴教寺玄奘塔等。

此期间，建筑技术更有新的发展，木构架已能正确地运用材料性能，建筑设计中已知运用以「材」为木构架设计的标准。

（二）中国古建筑的材料使用与建筑结构1.以木材为主的木结构中国古代建筑惯用木构架作房屋的承重结构。

木构结构大体可分为抬梁式、穿斗式、井干式，以抬梁式采用最为普遍。

抬梁式结构是沿房屋进深在柱础上立柱，柱上架梁，梁上重叠数层瓜柱和梁，再于最上层梁上立脊瓜柱，组成一组屋架。

平行的两组构架之间用横向的枋联结于柱的上端，在各层梁头与脊瓜柱上安置檩，以联系构架与承载屋面。

檩间架椽子，构成屋顶的骨架。

这样，由两组构架可以构成一间。

斗栱是中国木构架建筑中最特殊的构件。

斗是斗形垫木块，栱是弓形短木，它们逐层纵横交错叠加成一组上大下小的托架，安置在柱头上用以承托梁架的荷载和向外挑出的屋檐。

到了唐、宋，斗栱发展到高峰，从简单的垫托和挑檐构件发展成为联系梁枋置于柱网之上的一圈「井」字格形复合梁。

它除了向外挑檐，向内承托天花板以外，主要功能是保持木构架的整体性，成为大型建筑不可缺的部份。

宋以后木构架开间加大，柱身加高，木构架结点上所用的斗栱逐渐减少。

到了元、明、清，柱头间使用了额枋和随梁枋等，构架整体性加强，斗栱的形体变小，不再起结构作用了，排列也较唐宋更为丛密，装饰性作用越发加强了，形成为显示等级差别的饰物。

木构架的优点是：承重结构与维护结构分开，建筑物的重量全由木构架承托，墙壁只起维护和分隔空间的作用；便于适应不同的气候条件，可以因地区寒暖之不同，随宜处理房屋的高度、墙壁的厚薄、选取何种材料，以及确定门窗的位置和大小；由于木材的特有性质与构造节点有伸缩余地，即使墙倒而屋不塌，有利于减少地震损害；便于就地取材和加工制做。

2.以石料为主的石结构、木石结构中国古代很少见到以石材为主的石结构、木石结构的房屋建筑，而石结构大多会用于建筑桥梁、陵墓、城墙等。

石结构大体上可分为板式、梁柱式、隧洞式、拱券式、筒体式等。

2.1.板式石结构较具有代表性的石板结构，是分布在今辽东半岛和山东半岛一带的巨石建筑。

这种建筑全部由巨大的石板块组成，平面呈矩形,下部由三块竖放的石板作为支承屋盖的构件,上部覆盖一块大石板，四周外伸作屋檐状悬挑。

据考证这种结构可能是坟墓的一种，因为外形很象一个巨大的石桌，所以也称石桌坟。

2.2.梁柱式石结构这种结构主要见于汉朝晚期的一些石墓和宋朝初期的石桥、石祠及石牌坊中。

梁柱式石墓多在山东、江苏、辽宁等地，其中山东沂南汉画像石墓可作为代表。

这座墓全部用加工规整的石材砌成，分前、后、中室及左、右侧室，内外墙体均用竖放的石板构成，墓正中立石柱一排，柱顶上置石斗栱，上部架设石梁，梁上再覆以石板。

泉州万安桥很著名,桥建于宋嘉祐四年,全长834米，共47跨(孔),桥墩由规整条石砌筑而成。

墩上密排石梁,石梁最长达11米,截面一般宽厚各约0.6～0.9米。

2.3.隧洞式石结构中国古代开凿的石隧洞主要用作崖墓和石窟寺。

自东汉至南北朝时期，四川一带盛行崖墓葬。

乐山地区的白崖汉墓，在长约1公里的山崖上,开凿有大小不等的56座墓窟，其中较大者深达数十米，由亭堂，壁龛，前室、后室以及棺室、灶室等组成，凿有柱、阙、藻井等，并雕刻有精细的花纹。

石窟寺是在佛教传入中国以后，盛行于南北朝时期的隧洞式宗教建筑。

石窟寺与崖墓都是依山开凿的隧洞，除用途不同外，结构上的不同在于崖墓一般开凿得深远狭长，而石窟寺一般开凿得比较浅近宽敞。

石窟寺2.4.拱券式石结构最常见的是石拱桥，其次是陵墓。

河北赵县赵州桥，是中国现存最早的石拱桥,主拱的两端之上各建两个小拱，可以减少洪水期水流的阻力，也可减轻结构自重，也使桥面平缓，便于通行。

为了加强桥的整体性，除在并列的28条纵拱肋间嵌装银锭形铁榫外，并于拱券上加伏一层石板，横向埋入五根铸铁拉条，拱顶处桥宽略窄于拱脚，使并列的纵拱肋均向内稍倾，以防止外闪。

石拱桥由于比较理想地发挥了石材性能，在相同跨度的结构中较梁柱式石结构能承受较大的荷载，用料也较小较少。

除单孔桥外，也常有多孔石拱桥，如江苏省的宝带桥，由53个连续石拱券组成。

陵墓中采用拱券式石结构，已发现较早的实物是四川成都前蜀建造的永陵，分前、中、后三个墓室，墓室结构由两侧壁柱间建起的石拱券构成，中室石拱券净跨近6米,室中设棺床，并饰以精美生动的雕刻。

明清两代帝王陵寝中的地下墓室，也采用拱券式石结构建筑，如北京市已发掘的明神宗墓──定陵，有地下宫殿之称：整座石墓规模宏伟，构建精良，在已发掘的拱券式石墓中具有一定的代表性。

2.5.筒体式石结构中国现存较早的大型石塔──山东省历城县柳埠镇神通寺四门塔，为筒体石结构。

该塔高约15米，平面呈正方形,每边长约7.4米；由大块青石砌筑的筒壁构成一个正方形筒体,壁厚约0.7米；每面正中开一个小型拱门。

塔内正中有方形石塔心柱，顶部用石板搭叠覆盖，逐层收进，构成四角攒尖式顶，檐口用五层迭涩出檐。

多层筒体式石塔以福建泉州开元寺双塔为代表。

塔身五层，平面为八角形，高40米余；外圈用大石块砌筑成筒体，中间为石块砌筑的塔心柱；塔身外壁每层设置四个壶门，上下层错开布置，以更好地保证塔身的整体性；塔心柱与外筒壁逐层以条石拉结，以保证塔体的稳定性。

3.独特的土结构中国古代人类最早应用的居住结构类型就是土结构。

原始人类以石器、棍棒等简单工具掏挖洞穴作为栖身之所。

随着工具与技术的改进，出现了夯筑、制墼等技术，推动了中国古代以土结构为主房屋建筑的发展。

中国古代建筑的土结构可以分为掏挖式土结构、夯筑式土结构与砌筑式土结构这三种类型。

3.1.掏挖式土结构通过掏挖而成的各种洞穴。

其形式主要有横穴与竖穴两种。

横穴一般就土崖开挖，洞穴的上部挖成半圆拱形，拱上土重和其他荷载沿拱趾传递于基土。

这种土窑洞适用于中国西北地区的黄土地带，在今河南、山西、陕西、甘肃等省，土窑洞仍然是民居形式之一。

小洞穴只有几平方米，大洞穴可达几十平方米。

其规模大小，主要取决于土质和使用要求，即拱的跨度大小随土的性质而不同。

竖穴是由地面向下开挖而成，口小下大，截面呈“墴”状，穴边土的侧压力沿环状穴壁分布于周围土层。

在使用中穴口覆以遮盖物，以防雨雪侵入。

竖穴在使用中逐步演变成半穴，继而成浅穴，最后完全上升到地面，形成了各种地上建筑的原型。

但用作贮藏物品的竖穴，现今在中国北方农村中仍在使用。

3.2.夯筑式土结构使用夯杵，将土捣筑坚固，加大密实度，改善土的结构，以提高其承载能力，可作为房屋的承重结构，也可作为围护结构。

原始夯土都是无模夯筑，工具也无定型。

氏族社会晚期至奴隶社会早期的夯土城垣，采用先将土分层夯筑后再将两侧面加以整削成型。

所谓版筑，即在夯土墙的两侧及两端以木板或圆木为模、并将两端锁紧，然后填土夯实；根据夯筑体需要的长度，将模板水平移动；夯实一层后，再将模板提升，夯筑另一层；直至需要的夯筑高度为止。

由无模夯土发展到版筑，是夯土结构的一个演变过程。

3.3.砌筑式土结构土砌体所用的砌块分为“土墼”和“土坯”两种。

土墼是用最佳含水量的潮湿土，放入木模中经夯筑形成。

土坯则是用水和好的湿泥，放入木模中经抹平形成；在制作中也往往有加入草筋者；它们经自然干燥后即可用来砌筑。

墼或坯的规格虽然因时代、地区之不同而有所不同，但一般都是以便于制作、搬运和砌筑决定其尺度。

墼或坯一般多以立砌为主，间以平卧的砌筑方法，这是因为墼或坯平卧砌筑较易折断；立砌时仅在上下两端用泥浆粘结，砌块的吸水面小，不致因吸水过多而软化降低结构的承载能力。