浅析拱券结构的技术演变及其在现代建筑中的应用

浅析拱券结构的技术演变及其在现代建筑中的应用

清华大学建筑学院 杨天宇

从古至今，人类对于建筑技术的探索从未停止过。而作为建筑重要组成部分的建筑结构，更是在劳动人民的长期实践中年复一年地不断变革。

建筑结构是指在建筑物（包括构筑物）中，由建筑材料做成用来承受各种荷载或者作用，以起骨架作用的空间受力体系（注1）。它是整个建筑的支撑体系，也是建筑的安全保障。所以自“建筑”诞生起，人们就没有停止过对结构的创新与发展，这种发展几乎主导了之后的建筑形式和功能的变化。由于建筑技术的限制，建筑结构的合理性以及成熟度都在不断深化。原始社会的建筑形式简单，建筑功能单一，其建筑结构也仅停留在石材与木材的简单堆砌或拼接。而古希腊的神庙建筑的结构就有了很大的发展，室内空间更加宽敞高耸，同时丰富的柱式还增添了建筑的美感，从而使建筑结构拥有艺术性。这种艺术性甚至影响后世几千年，直至今日。到了古罗马，建筑结构的成就更是空前，拱券结构技术到达了一个新的高度，

建筑形式也发生了巨大的变化，使其更加适应各种功能需求。而当建筑技术发展到今天，建筑结构更加安全可靠，复杂多样。数字技术的应用也催生了许多结构奇特的建筑，诸如毕尔巴鄂古根海姆博物馆，中国国家体育馆等等。

本文就将通过抽取建筑结构中较为典型的一种类型——拱券结构，并就其发展与应用进行分析，来更好地体味建筑结构，从而加深对建筑技术这一课题的认识。

拱券结构的发展历程

拱券结构，简称拱，或券，又称券洞、法圈、法券。其外形呈圆弧状，是利用块状材料间的侧压力建成跨空结构而构成的承重体系。拱券的发源可以追溯到公元前四纪的两河流域，之后的巴比伦，亚述，印度等时期都有一定的发展，而使拱券技术发展到一个全新高度的，则是古罗马时期。

光辉的拱券技术是古罗马建筑的最大特色和成就，使拱券在古罗马能得到巨大发展则大致源于几大原因。首先就是古罗马相对同时期先进的生产力，生产力的巨大发展首先催生了建筑技术的进步。古罗马人最先发明了混凝土技术。由于国境内多火山，混凝土开采运输廉价方便，可大量使用奴隶，而且混入碎石作骨料后，既节约材料也可减轻结构重量，所以混凝土技术迅速发展，又因为其凝结能力强，坚固，不透水等众多优势，大大促进了拱券结构的发展。第二，生产力的进步使当时人们的需求也越来越高，当时房屋需要众多的承重墙来

帕特农神庙

毕尔巴鄂古根海姆博物馆

支撑，而这样会使室内空间利用不当，内部空间狭小，建筑物的功能也受到一定的局限，于是，拱券就有了长足的发展，十字拱以及穹顶就够应运而生。这个时期诞生了众多伟大的建筑精品，包括罗马城内的万神庙，其穹顶的直径甚至达到了43.3米，高度也是达到了43.3米。而城内从多的公共建筑，包括公共浴场，巴西利卡，还有一些住宅和宫殿也大量的运用了拱券技术。

拱券的不断发展逐渐摆脱对承重墙的依赖，继而在拜占庭时期出现了帆拱这种结构形式，帆拱独特的发券方式使外墙不必承受侧推力，无论是内部空间还是立面处理，都更加自由灵活了。君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂就是帆拱运用的杰出典范，它的穹顶高15米，直径32.6米，通过帆拱架在4个7.6米宽的墩子上。中央穹顶的侧推力在东西两面由半个穹顶扣在大券上抵挡，它们的侧推力又各由斜角上两个更小的半穹顶和东、西两端的各两个墩子抵挡。室内的光照处理十分生动，阳光透过彩色玻璃使室内氛围趋于神秘梦幻。室内空间也是更加高敞宽阔，四周层次井然。这套结构关系明确，层次分明，期中拱券技术也是达到了一个新的高峰。

随着拱券技术的继续发展，建筑物的结构也是越来越庞大，气势越来越恢弘。在中世纪出现了尖十字拱以及飞扶壁技术，这类结构使中世纪的哥特式教堂的中厅可以达到30米甚至是40多米的高度，对室内采光以及氛围的营造都起了重要作用。到了14、15世纪，随着文艺复兴的到来，建筑技术在发展的同时，也融入了时代精神。最具标志性的佛罗伦萨大教堂穹顶，无论是设计建造，技术成就，还有艺术特色都宣告了一个新的时代的到来。以这个穹顶的建成为开端，拱券的应用越来越成熟多样，也就是因为有了建筑技术的提高，才能为后世留下坦比哀多的雄健饱满，圣彼得大教堂的恢弘大气，各种精美的建筑才能屹立于世。

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1．圣彼得大教堂穹顶

2．佛罗伦萨大教堂

3．万神庙穹顶

4．圣索菲亚大教堂穹顶

拱券技术在现代建筑中的应用

拱券技术发展到今天，已经渗透到了日常建筑的各个部分，作为重要得承重结构，拱券还被广泛应用在大型公共建筑物之中，各种大跨度的建筑都离不开一个坚固可靠的拱券结构，这里简要归纳总结几个我认为具有代表性的建筑。

西进之门

首先是美国圣路易斯市的“西进之门”（GATEWAY ），作为一个单纯的纪念性建筑，“西进之门”仅以一个巨大的拱券作为建筑的整体，简洁而具有极强的视觉冲击力，是美国向西开发的一个象征。

它是美国最高的独自挺立的纪念碑。这座闪闪发光的用钢制成的圆弧造型，拔地而起，有将近200米高，跨度也是将近200米，和高度完全一样。

这座60年代建成的纪念碑将拱券技术运用地淋漓尽致，拱形的结构也使它结构合理，坚固可靠，据说根据设计要求，拱门顶端的正常摆动幅度可在46公分之内，但据科学家计算，“大拱门”即使遇到时速80公里的大风，其摆动幅度也仅有5公分。

由于拱券自古以来就被赋予

一种力量的美感，而当拱券仅以孤立的形式单独抽取出来后，就更加

凸显了这一特性，这一刀圆弧有如彩虹屹立天际，三角形的横截面使拱门的光影变幻莫测，站在纪念碑下的人无不为其雄壮坚强所折服。只有依靠现代先进的建筑技术，这座拱门才得以矗立。

港湾大桥

港湾大桥位于澳大利亚悉尼的杰克逊海港，号称世界第二单孔拱桥。这座大桥整个工程的全部用钢量为5.28万吨，铆钉数是600万个，最大铆钉重量3.5斤，用水泥9.5万立方米，桥塔、桥墩用花岗石1.7万立方米，建桥用油漆27.2万升。整个大桥桥身长度（包括引桥）1149米,从海面到桥面高58.5米,从海面到桥顶高达134米,万吨巨轮可以从桥下通过。桥面宽49米,可通行各种汽车,中间铺设有双轨铁路,两侧人行道各宽3米。原来还铺设有轨电车车轨两条,后因交通拥堵把它拆除,划出8条汽车道。大桥的钢架头搭在两个巨大的钢筋水泥桥墩上,桥墩高12米。两个桥墩上还各建有一座塔,塔高95米,全部用花岗岩建造。

圣路易斯西进之门