故宫太和殿藻井结构分析
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故宫太和殿的木构架结构讲解说到故宫的太和殿,大家脑袋里第一反应就是那座金碧辉煌、气吞万里的大殿吧?可你知道吗,太和殿的木构架结构可是藏着不少“乾坤”的,它不仅仅是一座建筑,更像是一位历经风雨、沉稳内敛的老者,给人一种“见过大世面”的气质。
你瞧那座气势磅礴的殿堂,虽然如今依然是众人瞩目的焦点,但它最特别的地方,还是那一根根、那一块块都被巧妙连接起来的木材。
要是你去过故宫,站在太和殿前,你可能会被那种“威严”的气场给震撼住,然而细细看看,你会发现,这座殿背后的木构架结构也让人叹为观止,简直是智慧与工艺的完美结合。
大家可能觉得,木架子就是木架子,拆了重做不就行了吗?哎,别小看这木构架,里面可有大文章呢。
太和殿的木构架,简单来说,属于那种“无钉之巧”。
也就是说,这座殿的整个框架并不是靠钉子和钢筋水泥拼凑出来的,而是完全靠木材之间那种神奇的卡合力相互支撑起来的。
你想啊,几百年的风吹雨打,这些木头居然能屹立不倒,简直可以说是“木匠界的神话”了。
这些木构架的搭建方法,和我们现在看到的那些“钢筋水泥森林”完全不一样。
它讲究的是天工开物、人力巧妙,讲究的是如何让木材在自然的变动中保持稳固,这也是为什么它至今依然屹立在故宫,成为几代人心中的象征。
可能很多人会觉得,咱们今天的建筑都是靠机械化、现代化的手段来建的,太和殿这么个古老的建筑怎么能和今天的工艺比呢?嘿,你可别小看了古人,真要说起技艺,那可比咱们这些“吃了科技饭”的人强多了。
想象一下,太和殿的木构架里,光是柱子就有一百多根,每一根的材料、位置都经过了精心的挑选和设计,互相之间的配合如同精密的时钟齿轮。
咱们今天可能找不到比它更能“自给自足”的建筑方式了。
你看,那些柱子和梁之间的连接,是靠什么?靠的是一种叫“榫卯”的工艺,别看它简单,实际上这个技术不光是中国古代建筑的精华,更是全球建筑史上的瑰宝。
榫卯工艺让木头不需要钉子就能紧密结合,简直是建筑界的“无缝拼接”。
说实话,这样的设计,简直可以媲美现代的一些高科技建筑。
故宫太和殿藻井的艺术与文化(本文部分内容经修改后载于《科技日报》2020年5月8日第8版,原题为《故宫藻井:需要仰视的最美天花板》)我国古代重要建筑的室内上方,通常会在正中部位做出向上凸起的穹窿状的装饰,这种装饰称为藻井。
位于北京故宫博物院内的太和殿是明清帝王举行重要活动的场所,其建筑装饰代表了我国古建筑装饰艺术的精华。
太和殿内宝座上方即有藻井(图1),全称为龙凤角蝉云龙随瓣枋套方八角浑金蟠龙藻井。
从分层构造上来看,太和殿藻井由三层组成:最下层为方井,中为八角井,上为圆井。
其中,四边形与八角形木骨架相交形成的三角形或菱形空间,称为“角蝉”。
从功能上讲,太和殿藻井装饰性与象征性于一体。
一方面,它展示出精美的装饰空间和造型艺术;另一方面,它象征古代“天人合一”的思想,并寓意避火驱邪,是我国古代丰富文化的体现。
图1 太和殿内藻井太和殿藻井的平面布置呈对称之美。
从藻井的平面组成来看,其核心木骨架由四边形外骨架、圆形内骨架,以及四边形与八角形交错形成的中间骨架组成(图2)。
其中,四边形、八角形、圆形本身均为对称图形,其对称中心点即为藻井顶部正中。
而被四边形与八角形分割而成的三角形、菱形骨架均匀对称地分布在藻井的四周,骨架围成的平面内交替刻有龙纹或凤纹;三角形、菱形骨架及龙、凤纹饰均为对称布置,其对称轴即为过藻井顶棚正中的十字正交线。
藻井顶部中心有蟠龙,龙头居于正中部位,口含轩辕镜。
其中,大轩辕镜位于龙头正下方,而六个小轩辕镜则以大轩辕镜中心为对称点,均匀地布置在周边。
上述对称之美,给人以圆满、匀称、平衡之感。
图2 太和殿藻井仰视太和殿藻井的空间布置呈现秩序之美。
位于宝座上方的藻井,是太和殿底部空间向上部空间的过渡,其空间范围由大变小;而藻井本身空间由下往上亦由大逐渐变小,各分层木骨架之间过渡自然,收缩均匀,到顶部形成形成“如伞如盖,穹然高起”的空间(图3)。
藻井顶部正中的轩辕镜汇则构成藻井空间的中心,以衬托出天宇之下古代帝王的核心地位。
故宫建筑特色故宫的建筑艺术主要是群体组合的艺术,群体间的联系、过渡、转换,构成了丰富的铺陈展开的空间序列.故宫总体分为南部的前朝和北部的后寝两部分。
南部以太和殿、中和殿、保和殿三大殿为中心,两侧辅以文华、武英两殿,是皇帝上朝接受朝贺、接见群臣和举行大型典礼的地方。
三大殿建在高8米多的呈工字形的须弥座式三层平台上,四周环绕着石雕栏杆,气势磅礴,为故宫中最壮观的建筑群,表现出不同凡响的崇高地位。
其中太和殿是故宫中等级最高,体量最大的建筑,也是我国现存的一座最大的古代木结构殿宇.北半部则以乾清宫、交泰殿、坤宁宫后三宫及东、西六宫和御花园为中心,其外东侧有奉先殿、皇极殿等,西侧有养心殿、雨花阁、慈宁宫等,是皇帝与后妃、皇子和公主们居住、举行祭祀和宗教活动以及处理日常政务的地方. 由天安门、端门、午门的前序、太和门的过渡、到太和殿、中和殿、保和殿的高潮、再经过乾清门的过度到乾清宫的高潮,最后以御花园结尾几个部分组成,抑扬顿挫一气贯通。
形体,主要指建筑物的总体轮廓。
故宫的建筑气势恢弘,规模巨大。
南北长961米,东西宽753米,占地72万多平方米,建筑总面积达16万多平方米,现存房屋8700余间。
四周环绕高约10米的城墙和宽52米的护城河。
城墙四周各设城门一座,南面午门,是故宫的正门,北面神武门,东面东华门,西面西华门.故宫整个建筑空间变化丰富,体量雄伟,外观壮丽,有主有从,显示出庄严肃穆、唯帝王独尊的宏大气势。
比例,主要是指巧妙处理建筑物各部分之间的比例关系,建筑中长宽高的比例,凹与凸的比例、虚与实的比例等,都直接影响到建筑美。
故宫整体建筑的比例和谐令人赞叹。
以中国古代建筑外观上最显著的特征--屋顶形式为例,外朝三大殿(太和殿、中和殿与保和殿)的屋顶就各不相同。
太和殿则是重檐庑殿顶,中和殿为四角攒尖顶,保和殿则是重檐歇山顶。
不同屋顶形式的运用,除了封建等级观念的影响外,也使这三座紧密相连的宫殿,在建筑形象上通过明显的对比而显得更加鲜明。
藻井,抬头遇见的绝世美
【⼋卦藻井】藻井,⼜称绮井、天井、⽅井、复海、⽃⼋等,是中国建筑中⼀种顶部装饰⼿法,将建筑物顶棚向上凹进如井状,四壁饰有藻饰花纹,故⽽得名,其⽬的是突出主体空间。
【北海公园藻井】古代中国⼈眼中,屋顶不只有遮蔽天空的作⽤,它还是“技艺载道,道艺合⼀”的舞台。
【道⼭亭螺旋形藻井】穹然⾼起,如伞如盖。
每当遥望头顶的藻井,总有⼀种⾼远深邃的感觉。
【故宫万春亭藻井】⼀架架古代藻井,承载的是中国⼈的思维⽅式和建筑观,蕴涵了中国古⼈最深厚的宇宙观。
【故宫养⼼殿藻井】藻井通常位于室内的上⽅,呈伞盖形,由细密的⽃拱承托,象征天宇的崇⾼,藻井上⼀般都绘有彩画、浮雕。
【华严寺藻井(辽)】因为藻井由多层⽃拱组成,由下⽽上不断收缩,形成下⼤顶⼩的倒置⽃形,外层⽅形或多边型,顶⼼⼀般圆形,称为“明镜”。
【龙门⽯窟伊阙洞藻井】藻井与普通天花⼀样都是室内装修的⼀种,但藻井只能⽤于最尊贵的建筑物,像神佛或帝王宝座顶上。
唐代就有明确规定,⾮王公之居,不得施重拱藻井。
【隆福寺万善正觉殿藻井】藻井的形式有四⽅⼋⽅,圆形等,构造复杂。
藻井⼀般各层之间使⽤⽃拱,雕刻精致,华美,具有很强的装饰性;也有藻井则不⽤⽃拱,⽽以⽊板层层叠落,既美观⽽⼜简洁⼤⽅。
【隆福寺万善正觉殿藻井局部】
【卢店明间藻井(明)】
【⿅港龙⼭寺⼋卦藻井】
【南京博物院藻井】
【滕王阁九重天藻井】
【天后宫⼋卦藻井】
【天⼀阁·秦⽒⽀祠藻井】
【五龙亭藻井】
【杏坛⽅形藻井】
【颐和园⼗七孔桥东侧廓如亭藻井】
【紫禁城御花园⾥的千秋亭藻井】。
中国古代建筑博物馆藻井介绍
藻井是中国古建筑中最具特色的一种装饰。
它的形状类似于井,上面用砖石雕饰各种图案花纹,也有的做成方形或圆形。
藻井的中心是空的,所以藻井又叫“空井”。
藻井在中国古代建筑中起着非常重要的作用。
据文献记载,“藻井”一词最早见于《周礼·考工记》,但并没有提到它具体是什么样子的。
直到宋代才出现了“藻井”的正式称呼。
《营造法式》中说:“凡作宫室,必先造藻井,以界内外”。
由于当时社会上普遍流行一种“天圆地方”的思想,因此它就成为宫室、大殿、佛塔、寺庙等建筑装饰的重点。
至明清两代,藻井就被列入了皇家建筑专用的装饰构件之中。
在中国古代建筑中,最大的藻井是北京故宫太和殿上的“万岁山”藻井,高达27米,直径达1.35米。
在杭州西湖雷峰塔上也有藻井。
宋代诗人苏轼曾在《和子瞻题雷峰塔下》中写到:“欲知千古灵符事,尽在东南第一峰”。
藻井有多种类型:一种是以砖、石、瓦等为材料做成的方形和圆形;另一种是以木材为材料做成的“井筒”形;还有一种是在井筒上装饰图案纹样。
—— 1 —1 —。
中国古建筑之藻井(欣赏图)
中国古建筑之藻井
2015-03-03古玩
藻井是常见于汉族宫殿,坛庙建筑中的室内顶棚的独特装饰部分。
藻井一般由多层斗拱组成,由下而上不断收缩,形成下大顶小的倒置斗形,四壁饰有藻饰花纹,故而得名,其目的是突出主体空间。
北京故宫太和殿上的蟠龙藻井,是在八角井上设一圆井,当中为一突雕蟠龙,垂首衔珠,称为龙井,是清代建筑中最华贵的藻井。
藻井的结构形式有方形、矩形、圆形、六角、八角、斗四、斗八、螺旋,又在单个藻井中利用斗拱或不用斗拱区分出层数,每层都有自
己的特点。
圆形藻井
方形藻井
八卦藻井
斗八藻井
螺旋藻井
龙凤藻井
故宫养性殿藻井
故宫太和殿蟠龙藻井
大觉寺蟠龙藻井
莲花洞中莲花藻井
藻井欣赏。
概 述
古建筑保护是一项非常重要的工作。
太和殿作为宫殿建筑的代表,是我国现存古建筑中规模最大、建筑形制、装饰与陈设等级最高的皇家宫殿建筑。
太和殿藻井作为太和殿主要装饰构件之一,位于太和殿明间天花顶部,是室内天花重点装饰组成部分,是安装在帝王宝座或佛像顶部天花的一种“穹然高起,如伞如盖”的特殊装饰,烘托和象征封建帝王天宇般的伟大,具有非常强的装饰效果。
其现状图如图1(a)所示。
故宫太和殿藻井结构分析
周 乾
明清时期的藻井,大体是由上、中、下三层组成,最下层为方井,中间层为八角井,上部为圆井结构[1]。
方井是藻井的最外层部分,四周通常安置斗拱。
方井之上,通过使用抹角梁,正、斜套方,使井口由方形变成八角形。
在八角井内侧角枋上贴有云龙图案的随瓣枋,将八角井归圆,形成圆井。
圆井之上再置周圈装饰斗拱或云龙雕饰图案。
圆井的最上方为盖板,盖板之下,雕凿蟠龙,龙头倒悬,口衔宝珠。
根据太和殿藻井的实际构造,可得出藻井的分层支撑做法有如下特点:
1、其由下至上分层为:天花梁——长趴梁、短趴梁形成方形井口——井口趴梁、抹角梁形成八角井——圆井——盖板。
2、方形井口的斗拱和其它雕饰,是单独贴上去的,斗拱仅做半面,凭银锭榫挂在里口的方木上。
3、八角井外表的雕饰、斗拱均为另外加工构件附在八角井上。
4、圆井由一层层厚木板挖拼、叠落而成。
根据故宫博物院太和殿项目组提供的资料,太和殿蟠龙藻井整体下垂约10cm,支撑藻井的趴梁产生通裂缝。
井口趴梁端部现状照片如图1(b)所示。
由该图可知,
该井口趴梁裂缝由藻井与趴梁相交处延伸至榫头,而且开裂位置已进行过加固。
该藻井底部长宽均为5.94m,由下至上高度分别为方井高0.5m、八角井高0.57m、圆井高0.725m,下端支撑藻井的井口趴梁长8.46m,截面尺寸0.30×0.36m,两端做半榫刻口搭在天花枋上。
藻井材料除中部龙口的宝珠外,均为木结构材料。
1 模型建立
本文利用ANSYS分析方法对藻井结构现状进行仿真分析。
根据木结构材料具有三维各向异性特点,考虑使用solid64单元模拟[2],其常数输入如表1所示。
表1 ANSYS模拟藻井的参数假定
输入项
对应项物理意义EXEL木材顺纹弹性模量EYET木材切向弹性模量EZ
ER木材径向弹性模量
PRXY
0.3
Z向泊松比
(b)井口趴梁裂缝图
1 太和殿藻井现状图
(a)藻井仰视图
作者:故宫博物院古建部,工程师
PRYZ0.3X向泊松比
PRXZ0.3Y向泊松比
GXYGLTXY平面剪变模量
GYZGRTYZ平面剪变模量
GXZGLRXZ平面剪变模量
当缺乏试验数据时,木材的一些数据取值为[3]:
由于本文计算对象为硬木松[4],其原有弹性模量
为10000N/mm2,考虑到该藻井长期荷载以恒荷载为
主,使用年限超过100年,故考虑弹性模量折减[3],取
EL=7000N/mm2。
根据藻井结构特点,将藻井盖板周圈的斗拱用等
质量圆锥模拟。
此外,由于藻井正中的宝珠材料质量很
小,其密度类似玻璃,因此可用等质量圆柱进行模拟。
该藻井受的荷载主要为自重荷载及施工荷载(取值
3000N/m2),半榫搭接按简支考虑,建立ANSYS力学
模型如图2所示。
在ANSYS建模过程中,藻井的方井和圆井部位有
周圈斗拱,因为单元太小,ANSYS无法进行网格处理,
因此,将这些斗拱重量并入藻井中。
此外,由于ANSYS
分网建立计算模型缘故,八角井部分自动圆化处理,成
为类似于圆状有限元模型,这些并不影响分析结果。
2 结构分析
2.1 挠度分析
图3(a)为健康状态下藻井的挠度图。
由图可知,藻
井在健康状态下(太和殿结构刚完工状态)挠度最大值
发生在中部,仅为1.5cm,符合木结构设计规范中的挠
度容许值(2.4cm)。
图3(b)为考虑藻井长期使用年限
下的挠度图。
由该图可知,此时藻井的最大挠度值位置
仍然发生在中部,但达到5cm。
这主要是因为在长期使
用年限下(240年以上)木材的弹性模量下降所致。
由
于该结果并非实测的10cm,下面将结合力学分析进一
步进行研究。
2.2 强度取值
木材有一个显著的特点,就是在荷载的长期作用
下强度会降低。
所施加的荷载越大,则木材能经受的时
间越短。
根据《木结构手册》提供数据,木材在荷载的
长期作用下强度降低,10000天后,木材的强度为瞬时
强度的比例:顺纹受压0.5-0.59;顺纹受拉:0.5;静
力弯曲:0.5-0.36;顺纹受剪:0.5-0.55。
根据中
国林业科学院提供正常状态硬木松的强度数值,参考
《木结构设计规范》规定的硬木松强度值,列出木材强
度取值如表2所示[5]。
表2 木材强度取值 单位(N/mm2)
图4为藻井第一主应力现状图。
易知,藻井最大主
应力发生在榫头部位,其值为26.7MPa,小于强度折
减后的木材顺纹抗拉强度容许值。
图5为藻井第三主应
力现状图。
由该图可知,藻井最小主应力发生在藻井与
井口趴梁相交位置,其值32.5MPa,超过了考虑强度
折减后的木材顺纹抗压强度容许值。
因此,在长期荷载图2 藻井ANSYS模拟图
(b)长期使用年限下藻井挠度图
图3藻井挠度图
(a)健康状态下藻井挠度图
作用下藻井与趴梁相交部位将发生局部受压破坏导致井口趴梁产生开裂。
图6为井口趴梁按beam3进行结构力学分析的结果图。
由图6(a)可知,井口趴梁最大剪力发生在榫头位置,其值为67369N,在该相应位置剪应力为1.87N/mm2,小于考虑强度折减后的抗剪强度容许值。
由图6(b)可知,井口趴梁最大弯矩发生在跨中截面,其值为0.17e9N・mm,相应位置弯曲应力为26.2MPa,超出考虑强度折减后的静力弯曲强度容许值。
因此,在长期荷载作用下井口趴梁还会因弯曲破坏而产生裂缝。
此外,由图4至图6可知,长期荷载作用下,藻井最大及最小主应力、井口趴梁的静力弯曲强度和抗剪
强度都超过《木结构设计规范》规定值。
藻井结构已超过正常使用极限状态,属不安全体系。
3 结论
本文根据木结构材料特点,运用ANSYS仿真技
术,分析了太和殿藻井在长期荷载作用下
(下 转17页)
图4 (a) 第一主应力整体现状图
图4 (b) 第一主应力应力局部放大图
图5 (a) 第三主应力整体现状图
图5 (b) 第三主应力应力局部放大图
(a)剪力图
(b)弯矩图
图6 井口趴梁按beam3分析时的力学结果图
(资料来源:邕宁县志:建置二)
11
祭江台:每年遇江水上涨时,守土官在此祭江神,故此得名,创建年月不祥。
光绪三十三年,南宁府彭銮倡捐重修,
留下碑记。
表2 南宁市商业会馆分布
(资料来源:邕宁县志:社会二 商业团体调查)
12
相传二邑会馆由广东省的南海、东莞两县同乡集资筹建。
建成之后,各自都想用自己县名命名会馆,互不相让,卒至双方都花大笔钱向衙门打官司,使官府大收渔人之利。
结果,由官府赐赠“二邑会馆”金字匾牌,双方作罢。
(上接9页)的力学和变形性能。
通过分析研究,得出如下结论:
1、长期荷载作用下藻井的强度和变形均超出了《木结构设计手册》规定范围,藻井已超过正常使用极限状态;
2、长期荷载作用下木材的弹性模量下降导致藻井挠度增加,但引起藻井大幅度下沉的主要原因是井口趴梁端部开裂;
3、井口趴梁开裂的原因是长期荷载作用下木材强度的降低,藻井局部受压强度及静力弯曲强度过大而形成。
(感谢故宫博物院太和殿项目组组长张学芹女士对
本文作者的热心指点)
参考文献
[1] 马炳坚.中国古建筑木作营造技术[M].北京:科学出版社,1992:309-312.
[2] ANSYS中国.ANSYS基本过程手册.2000:4-10.
[3] 木结构设计手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:16-21,41-43.
[4] 中国林业科学研究院木材工业研究所.故宫太和殿木结构材质状况勘察报告[R].2005,3:52-53.
[5] 木结构设计规范GB50005-2003[S]:13-14. ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄。