西方拱券结构对建筑设计影响浅析

张国中 谷 岩

（东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150040）

近现代建筑风格形成逐渐学习西方古典建筑风格特征，以及越来越重视简化装饰造型和稳定整体结构处理手法。伴随建筑结构的变革，由于建筑装饰抽象形式艺术思潮的广泛影响，运用形式简明的线条与几何形表达现代主义建筑样式，建筑逐渐脱离以追求繁复为荣的时期。唯有将设计的出发点置于天地间，融入于自然中，用心感知万物之间如何联系，引用《易经》中提及的“立天道曰阴阳，立地道曰柔刚，立人道曰仁义”，天地人之间相辅相成、相互联系，运用到建筑与人和自然之上也完全适用。

一、西方拱券结构形式

公元前四世纪两河流域是拱券结构形成的初始地，拱券结构（又称：拱、券、券洞、法圈与法券），其由各个矩形建筑材料之间的侧压力构建而成，运用夸空结构形成相对稳固的承重体系。美索不达米亚地区两河流域周边的人们最早运用拱券结构的民族，不过建筑材料运用烧砖居多；古希腊时期两河流域的拱券技术相对成熟，比如巴比伦城伊什塔尔城门；到后来拱券发展到古罗马时期达到顶峰，造型呈现出半圆形（古罗马建筑特征）；到哥特式建筑风格形成时期，拱券的造型样式则成为尖形样式。

1.古爱琴海时期

爱琴海文明的地理核心位置为克里特岛与希腊地区的迈锡尼[1]，其也称“克里特-迈锡尼文明”，是古代西方文明的发轫地。通过对克里特地区建筑遗址勘探，已得知当时建造的克诺索斯宫运用了漏斗形式的柱头，其有助于减少建筑中梁对柱式的压强；狮子门位于迈锡尼建筑中的卫城城堡，其作为城堡的大门，门楣之上运用三角造型叠涩券，为减小门楣承重之用。

2.古希腊时期

古希腊人由于在思想与技术上的保守观念导致在很长时间里建筑建造唯一手段就是平梁结构[1]，在很少的特定区域才会真正放心采用真正的拱券结构。如果要运用拱券结构，本阶段的古希腊人更倾向运用叠涩券结构（又称假拱，其真正意义以上不是拱券结构），叠涩所表现的砌筑方式为逐层向外堆叠出挑或收进，叠涩券利用各层建筑材料向内堆叠收分而成，在中线处合拢便成了拱券。叠涩券结构内部具有压应力与拉应力（在正常情况下的真拱只具有压应力），所以为了避免坍塌，叠涩券会在两侧建设及其稳固的支撑结构，整体造型明显厚重。直到大约公元前2世纪的希腊化时代晚期，希腊人建造的建筑才正式应用拱券与拱顶结构。

3.古罗马时期

古罗马人通过学习叠涩券的结构形式，进而正式开发出了真正的拱券结构，古罗马建筑之中的显著特点就是半圆形拱券，由于在古希腊时期建筑梁柱因自身尺寸限制与质量的约束，建筑造型的跨度很受影响，导致古希腊建筑建造出的室内空间相对较小。古罗马人将柱式元素与拱券元素组合成一套整体框架结构体系，将券脚与柱式檐部上方进行连接，就此创造出了券柱式结构，券柱式结构进行横向组合，又延伸出了连续拱券结构，一排整齐的柱式托起连续拱券。就此拱券与柱式的结合解决了古希腊时期建筑梁柱与建筑空间之间的矛盾[2]。

罗马人将拱券技术发扬光大，在制作材料上运用天然火山灰来制作活性混合材料（天然或人工性质的矿物质材料），骨料（混凝土及砂浆中起骨架和填充作用的粒状材料）则添加沙子、碎石子与断砖等。罗马人在建筑的不同位置运用不同强度与容重的建筑材料，解决了在施工过程中拱券的塑形困难等问题，大大提升了建筑质量与施工速度。

4.欧洲中世纪时期

罗马帝国于公元395年分裂成东、西罗马两部分，东罗马帝国延续古希腊建筑风格，则称东罗马帝国建筑风格为拜占庭式建筑风格，区别于西部的哥特式建筑风格。

（1）拜占庭式建筑

拜占庭式建筑拱券由于吸取了东方建筑的特征，对于拱券结构形式方面产生新样式——帆拱，帆拱和穹顶相结合，通过运用四个拱券进行围合，在围合的方形空间之上矗立穹顶。拱券与穹顶连接处呈现圆环状，在圆环之下与拱券之间共空有四个形似三角形的空洞，通过精巧技艺将空洞填满，以保持拱券之上穹顶的稳定性。

（2）哥特式建筑

哥特式建筑达到的艺术效果要归功于新型拱券形式——尖拱。通过建筑建造技术的进步发展出现了尖形拱，尖拱属于一种由两条相异圆心的弧线交织之后形成的新型拱券，两条弧线的交织点也就是尖拱左上方，形如其名，呈现出向上的尖角形制。哥特式建筑中的拱肋是尖拱结构之中的相交叉受力部件，其主要做支撑整个拱券重量。并且，尖形拱在结构整体受力情况下更加合理，其可以对重量做到有效传递。

哥特式建筑中另一风格特点为——飞扶壁，又称为飞券。飞扶壁是起到支撑建筑立面的结构，其围绕建筑本身与建筑侧壁相连接，其可以将建筑物上部的重量从建筑物本身上部转换到建筑物之外的地方，对建筑物内的各式廊柱起到了分担压力的作用。并且运用飞扶壁的情况下能更好地将建筑中竖直的柱式直径降低，使得建筑内空间增加，有益于开设更大型的门窗，室内采光效果更好。

二、拱券结构力学分析

拱券结构较传统梁柱结构用料少、分量轻、跨度大，当拱券自身跨度越大时，其越发节省建造成本，但是对于拱券之下的受力支座的抗压强度就要有更高的要求，其必须要承受拱券结构带来的强大水平推力。对于拱的定义并不是看其外形而定夺的，更需要注重的是其产生的侧推力，拱券整体的力量是斜向传递给支座的，具有竖直与水平两个分力。

1.水平推力由拉杆直接承担

能够确保在任何条件下保持稳定，支撑结构顶部并没有水平推力H作用，所以本支撑结构单单承受竖向推力，因此作为最经济、省料的支撑结构。

拉杆拱：拉杆拱又分为室内拉杆拱与地下拉杆拱（图1），如果室内应用带拉杆的拱券结构，其主要考虑的问题则为预应力拉杆较粗，就导致拉杆拱券结构只适用于举架较高的大型空间，比如：车间、仓库、食堂与礼堂等。

图1 拉杆结构

2.推力由水平结构承担

本结构意为在拱券结构内不设拉杆，通过拱脚标高平面之内的现浇筑钢筋混凝土边跨屋盖、圈梁与挑檐板进行力的承担作用，使得拱券拱脚之下的柱、墙等竖向结构并不承担上部带来的水平推力（图2）。由于内部不设拉杆结构，本结构将获取更大的建筑室内使用空间，但是同时带来的缺点是比拉杆结构造价相对较高。

图2 水平推力结构

3.水平推力由竖向结构承担

由于水平推力H与竖向q的合力表现为斜向力，拱券拱脚与拱轴线进行相切，因此要求竖向结构必须拥有更高强度的刚性与控制极小的形变。尽量保持竖向结构与地基的均衡受力，控制竖向结构承担最大与最小应力差在可控范围内，不可相差过于悬殊，并确保拱券拱脚处避免水平位移情况，保证拱券内尽量做到无过多弯矩变化。

（1）斜柱墩：通常应用在拱券拱脚推力大与拱券跨度较大时，采取斜柱墩结构能够直接有效进行受力传导，并且造价相对较低，具有精干样式（图3）。

图3 斜柱墩

（2）边跨结构：如拱券结构的跨度较大时，并在周边具有建筑空间时，通常采用边跨结构将拱券拱脚的推力进行均匀承担。对于竖向边跨结构设计成单层或者多层的墙体，或采用单层、多层、单跨货多跨钢架结构，并且保持具有足够大侧向刚性的竖向结构，尽可能避免侧移（图4）。

图4 边跨结构

（3）落地拱：本结构适用于地质结构较好地区，又或是拱券拱脚水平推力较小时，此时水平推力方可通过基础直接传导至地基上，为了更加稳固的结构，便可将下部基础设置成倾斜状（图5）。

图5 落地拱

3.对国内建筑装饰的影响

通过精巧的拱券结构处理工艺将建筑功能与装饰艺术相融合，使得在功能与视觉上均达到最佳效果。中西方对拱券结构的应用具有不同的理解，在建筑本身外部或内部结构造型均独具特色。拱券结构能够呈现出其独特的韵律感，通过对具体尺寸与形制进行拆分重组，就得以令人“浮想联翩”，运用不同的表现手法达到“形断意连”之意。拱券结构通过时代发展，其自身的进步已映入眼帘，从伊始优化建筑结构之用，到后世的艺术美感，拱券在建筑“横平竖直”之际打破陈规，使得大众生活之中增添欢快韵律。

用现代建筑举例，位于浙江省杭州市的中国美术学院（良渚校区）的新建体育馆（图6），校区整体设计有幸邀请普利兹克奖首位中国评委张永和担任设计，设计语言结合良渚周边地理人文环境，并且将“水”作为设计元素。国美良渚校区内体育馆屋面造型运用拱券结构作为设计母题，在造型与尺寸上灵活多变，无论是在室外或是室内这座建筑油然而生带给人是无限的联想。整排拱券由于跨度尺寸不同，设置为横向9个大小相间的半圆形钢筋混凝土形制拱壳，尺寸较大的直径为7.8m，尺寸较小的为5.0m[3]，带来的特点是拱顶的高低不同，同时在相应拱券下设窗，是建筑室内自然采光主要来源。建筑室内与室外既视感相同，建筑屋面整体效果形似海浪，也似波纹，又似祥云，更似连绵不绝的山峦，令建筑与自然和人均形成呼应，完美诠释了何为“结合”。在如此生动的屋面下是规矩的直线型设计，建筑开窗整齐均匀，犹如挺拔矗立的树干，在活泼中体现稳健，韵律之中不失规律，展现了国人崇尚的含蓄美感。

图6 良渚体育馆南立面图

结语

如今建筑在空间与造型中相互呼应、融合，努力营造出舒适感，完美满足功能性的美观装饰设计是建造中极度追求的目标，文化融合是现今世界的总体趋势，对于传统文化与未来文化而言，大众接受程度也在逐渐攀升，循规蹈矩的情况显然已退出历史舞台。对于外来文化盲目应用是意义不大的，如想“驯服”新鲜事物必须将其了如指掌，通过拆分、再造，将地域范畴与时间范畴不同的事物进行融合，使异同文化之间进行“碰撞”，完美展现“包容性”。