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古代石材技術(shù)的演變
（1）梁柱結(jié)構(gòu)
最早的石梁柱體系出現(xiàn)在古埃及，是從木質(zhì)梁柱發(fā)展而來的。古埃及的石質(zhì)梁柱往往跨度不大且顯得十分粗壯。底比斯的盧克索神廟的柱廳內(nèi)巨大的空間由許多石頭過梁來覆蓋，整個廳中石柱如林，高大粗壯的柱子處處遮斷人的視線，使得粗壯的石質(zhì)梁柱在滿足神廟空間功能需求的同時，又滿足了神廟對于神秘、壓抑氣氛的需求。（圖2.3）
希臘時期石柱梁體系達(dá)到了成熟。石材先用來做柱子，起初是整塊石頭的，后來分成許多段砌筑，每段的中心有一個梢子。在檐部，先把石材用于充填部位，后來才用于額仿，這在技術(shù)上非常困難。到公元前7世紀(jì)末，有些廟宇，除了屋架之外，己經(jīng)全用石材建造了。屋面一直被用木材建造，甚至在石砌的廟宇上也是如此。雅典衛(wèi)城上許多廟宇的遺址之所以都沒有留下屋項，恰恰說明了這一點。（圖2.4）
由于石材屬于脆性的材料，有抗拉、抗剪強(qiáng)度低、自重大等弱點，其在水平方向的發(fā)展受到一定的限制。在古埃及、古希臘的仿木構(gòu)石梁柱結(jié)構(gòu)明確的反映出這一特征。公元7至4世紀(jì)期間，橫跨在兩柱間的木梁改為額仿式的石梁，其最大的跨度僅為6m左右，超過這一跨度就必須在跨度之間增加柱子。
石梁柱結(jié)構(gòu)的高厚比一般比較大，主要是受到剪力角的限制。古希臘的柱式是建立在力學(xué)基礎(chǔ)上的，當(dāng)建筑的安全性等技術(shù)問題總體解決后，古希臘人將注意力轉(zhuǎn)向柱子的視覺關(guān)系，并根據(jù)人體的比例，推導(dǎo)出愛奧尼、多里克、科林斯柱式。雖然它是以石材模仿木梁柱體系，在石結(jié)構(gòu)受力性能上并不合理，但是石質(zhì)柱式的形式反映了結(jié)構(gòu)因素和裝飾因素的成功結(jié)合。柱式體現(xiàn)著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?gòu)造邏輯，條理井然，每一種構(gòu)件的形式完整，適合它的功能。垂直構(gòu)件作垂直線角或凹槽，而水平構(gòu)件作水平線角;承重構(gòu)件樸素?zé)o華，而裝飾雕刻集中在填充部分或其他非承重構(gòu)件上。所以柱式的受力體系在外形上脈絡(luò)分明。
古羅馬人繼承了希臘的柱式，根據(jù)新的條件把它加以發(fā)展，柱式到了羅馬時代，多數(shù)己經(jīng)不是結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而退化成僅是一種裝飾。
（2）拱券結(jié)構(gòu)
在古埃及拱券結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)展起來，究其原因可能是由于缺少木材來制作模架的緣故。石拱在一些帝王和貴族的金字塔、墓葬中有一些運用,大致有三種類型：疊澀拱、石板拱。（圖2.5~2.6）
真拱，構(gòu)成真拱的砌體的粘合線不像疊澀拱那樣是平行線，而是放射線。更重要的是組成真拱的砌體不是方形的，而是一段段的圓環(huán)。古埃及人用于砌筑真拱的材料主要是磚砌體，石材的用量較少。
疊澀拱其實就是漸次接近的兩排砌體，在拱的中心位置交匯。從第二至第四王朝的這段時期’內(nèi)，疊澀拱在古埃及建筑中可以見到。人可以在第四王朝墓葬的墓室的頂部發(fā)現(xiàn)石頭砌成的疊澀拱。在胡夫金字塔的一條墓的頂部也是由石頭的疊澀拱砌筑而成的（長48.71m，高8.5m）
石板拱只用在如金字塔、墓葬等地下結(jié)構(gòu)之中，用于胡夫金字塔的石板拱有7至8m長，重達(dá)36噸。在第5至6王朝的金字塔墓室中通常由斜置石板組成的巨大的屋頂結(jié)構(gòu)，壓力沿著石板向墓室周圍的填充砌體或?qū)崏鲗?dǎo)。有時石板在頂部交匯處被設(shè)計成復(fù)雜的可以互鎖的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)今，石板拱常用于橋梁中。
拱券技術(shù)是古羅馬建筑最大的特色與成就。古羅馬人的北鄰伊達(dá)利亞人建筑工程水平很高，很早就用石頭砌筑疊澀假券。古羅馬人從伊達(dá)利亞人那里繼承了許多工程技術(shù)和建筑經(jīng)驗。公元前4世紀(jì)，羅馬城的下水道就有了真正的發(fā)券。公元前2世紀(jì)，假券被淘汰，在陵墓橋梁城門輸水道等工程上廣泛使用真的拱券，而且技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)高超。如公元前，44年建造的向羅馬城輸水的塔拉戈納輸水道，有10km長的一段架在一系列的發(fā)券上，跨度達(dá)到24.5m。（圖2.7）
在歐洲的中世紀(jì)，哥特式建筑將拱券技術(shù)推向了高峰。哥特建筑起源于法國，13至15世紀(jì)流行于歐洲，主要見于天主教堂，也影響到了世俗建筑。在西方傳統(tǒng)建筑發(fā)展史上，真正實現(xiàn)了石材的結(jié)構(gòu)和裝飾三種功能的完美結(jié)合。（圖2.8）
第一，哥特式建筑使用骨架券作為拱頂?shù)某兄貥?gòu)件，十字拱成了框架式的，其余的填充圍護(hù)部分就減薄到25至30cm左右，拱頂重量大為減輕，石材的用料節(jié)省了，側(cè)推力也小多了。骨架券使各種形狀的平面都可以用拱頂覆蓋，祭壇外環(huán)廊和小禮拜室拱項的技術(shù)困難迎刃而解。
第二，用獨立的飛券在兩側(cè)凌空越過側(cè)廊上方，在中廳每間十字拱四角的起腳抵住它的側(cè)推力，飛券落腳在側(cè)廊外側(cè)一片片橫向的墻上。從此，側(cè)廊的拱頂不必負(fù)擔(dān)中廳拱項的側(cè)推力，可以大大降低高度，擴(kuò)大中廳的側(cè)高窗，而且外墻上也因為卸去了荷載而窗子大開。于是，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減輕，材料進(jìn)一步節(jié)省。飛券較早使用在巴黎圣母院，它和骨架券一起使整個教堂的結(jié)構(gòu)近于框架式。
第三，全部使用二圓心的尖券和尖拱，尖券和尖拱的側(cè)推力比較小，有利于減輕結(jié)構(gòu)，而且使不同跨度的券和拱可以一樣高。因此，骨架券的十字拱項不致逐間隆起。甚至，十字拱的間也不必是正方形的了。12世紀(jì)時，中廳還沿用正方形的間，每間中用骨架券橫一下。到13世紀(jì)，中廳的間就同側(cè)廊一樣進(jìn)深，不再橫分。于是，中廳兩側(cè)大小支柱交替和大小開間套疊的現(xiàn)象消失了。內(nèi)部的形象因此整齊、單純、統(tǒng)一。不僅在結(jié)構(gòu)上，而且在裝飾、華蓋、壁盒等等一切地方，一切細(xì)部，尖券都代替了半圓券，風(fēng)格是統(tǒng)一的。
（3）墻體砌筑技術(shù)
古埃及人廣泛的把石材用于墻體的砌筑中，其砌法非常的多樣，許多種砌法時至今日仍無多大的改變。（圖2.9）在有的砌法中對作為維護(hù)裝飾的面層和作為承重的內(nèi)砌筑層也已進(jìn)行了區(qū)分。（圖2.10）
古希臘人把墻體的砌筑視為一種高等的藝術(shù)行為。古希臘墻體的砌塊尺度不像古埃及的那么巨大，但是組成部分更加精美，風(fēng)格的跨度無與倫比的豐富。古希臘人在墻體的砌筑中沒有內(nèi)外層石料之分，在一層墻體中，石材既起到了結(jié)構(gòu)功能又起到了維護(hù)功能。而裝飾的功能則是通過多變的砌筑方式來達(dá)到的。
古希臘人在砌石塊時不用灰漿，砌塊安放得相當(dāng)精準(zhǔn)。每層石頭中間做成微凹的形狀，每塊石頭就位時加點細(xì)砂以便緊密的結(jié)合。這種作法緣自古埃及，有的時候為了防止砌塊的移動，砌塊中會使用水平或垂直的銷子固定來保證安全，銷子全是由金屬制成。由于金屬連接物過于昂貴，只能被用在最高等的建筑物中。其他墻體的安全只能依賴于單個砌塊的重量，除了在少數(shù)的神廟建筑中采用方整的砌塊，一般的砌筑方式都是由不規(guī)則的石塊粗砌在一起，在所有的砌筑風(fēng)格中最古老的是將砌塊沿曲折的輪廓切割，以毛石亂砌法進(jìn)行砌筑。這種砌法到了六世紀(jì)的時候己經(jīng)被一種多邊形的琢石砌法所代替。在特爾裴神廟保留下來的墻體中，包含有多角石混合曲線石的石工砌法，這顯然是在兩種風(fēng)格的過渡過程中修建的。在雅典多角石砌法在公元六世紀(jì)中葉始到了頂峰。（圖2.11）
在五世紀(jì)的晚期出現(xiàn)了另一種砌筑風(fēng)格，一種在規(guī)則砌筑和多角石砌筑之間的妥協(xié)。砌塊的頂部和底部都是平的，砌層的高度是相同的，但砌塊的側(cè)邊總是被斜向切割，這種砌法易于建造而又不顯得粗野，而且斜切的側(cè)邊所造成了穩(wěn)定的互鎖感，因此這種風(fēng)格被頻繁的使用。
多邊形的砌塊因為具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，一直被用于城防工事之中。一種裝飾性的多邊形砌塊風(fēng)格的復(fù)興出現(xiàn)在希臘化時期。其風(fēng)格與六世紀(jì)時的多邊形砌塊風(fēng)格己經(jīng)大不相同了，出與美化裝飾的目的，建造者故意把砌塊切割成最奇異的圖案。規(guī)整的砌筑有多種的形式，是從神廟建筑的精工石作上發(fā)展出來的，在這些建筑的基礎(chǔ)部分和墻體部分，砌塊的長度尺寸比高度尺寸大得多，砌塊的長度會沿著層的方向變化。在其他一些墻體中，砌塊可以朝里放置而短邊朝外露出來，形成了多變的外表。
古羅馬，在建筑中為了支撐沉重的拱頂和彎頂，抵御側(cè)推力，墻垣很厚，甚至有厚達(dá)幾米的。混凝土的墻起初是內(nèi)外兩面先各砌一道石墻，把混凝土澆筑在當(dāng)中。后來，為了節(jié)約石材，混凝土用模板澆筑，在混凝土之外總會包砌面層。起初，面層的材料與墻芯骨料用料相同，幾乎一成不變。這層面層由最初的不規(guī)則石塊，發(fā)展成為毛石亂砌法。在羅馬，因為有更軟、更易于加工的凝灰?guī)r，這種亂砌法變得漸有章法，出現(xiàn)了向規(guī)則化成層砌筑發(fā)展的趨勢，并且漫漫地發(fā)展成方石網(wǎng)眼砌法，即用地面10cm×10cm左右的整齊的方錐石塊排滿表面，尖角朝里，底面形成規(guī)則的斜方格。其最早實例見于公元前55年的龐貝劇場（圖2.12）。這種網(wǎng)狀團(tuán)可以結(jié)合凝灰?guī)r小方塊或者磚形成混合砌體。這些面層的處理式樣在今意大利中部地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。在羅馬的大角斗場中，古羅馬人用凝灰?guī)r料石構(gòu)成了角斗場的承重體系，在外部又包砌了一層石灰華。
（1）梁柱結(jié)構(gòu)
最早的石梁柱體系出現(xiàn)在古埃及，是從木質(zhì)梁柱發(fā)展而來的。古埃及的石質(zhì)梁柱往往跨度不大且顯得十分粗壯。底比斯的盧克索神廟的柱廳內(nèi)巨大的空間由許多石頭過梁來覆蓋，整個廳中石柱如林，高大粗壯的柱子處處遮斷人的視線，使得粗壯的石質(zhì)梁柱在滿足神廟空間功能需求的同時，又滿足了神廟對于神秘、壓抑氣氛的需求。（圖2.3）
希臘時期石柱梁體系達(dá)到了成熟。石材先用來做柱子，起初是整塊石頭的，后來分成許多段砌筑，每段的中心有一個梢子。在檐部，先把石材用于充填部位，后來才用于額仿，這在技術(shù)上非常困難。到公元前7世紀(jì)末，有些廟宇，除了屋架之外，己經(jīng)全用石材建造了。屋面一直被用木材建造，甚至在石砌的廟宇上也是如此。雅典衛(wèi)城上許多廟宇的遺址之所以都沒有留下屋項，恰恰說明了這一點。（圖2.4）
由于石材屬于脆性的材料，有抗拉、抗剪強(qiáng)度低、自重大等弱點，其在水平方向的發(fā)展受到一定的限制。在古埃及、古希臘的仿木構(gòu)石梁柱結(jié)構(gòu)明確的反映出這一特征。公元7至4世紀(jì)期間，橫跨在兩柱間的木梁改為額仿式的石梁，其最大的跨度僅為6m左右，超過這一跨度就必須在跨度之間增加柱子。
石梁柱結(jié)構(gòu)的高厚比一般比較大，主要是受到剪力角的限制。古希臘的柱式是建立在力學(xué)基礎(chǔ)上的，當(dāng)建筑的安全性等技術(shù)問題總體解決后，古希臘人將注意力轉(zhuǎn)向柱子的視覺關(guān)系，并根據(jù)人體的比例，推導(dǎo)出愛奧尼、多里克、科林斯柱式。雖然它是以石材模仿木梁柱體系，在石結(jié)構(gòu)受力性能上并不合理，但是石質(zhì)柱式的形式反映了結(jié)構(gòu)因素和裝飾因素的成功結(jié)合。柱式體現(xiàn)著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?gòu)造邏輯，條理井然，每一種構(gòu)件的形式完整，適合它的功能。垂直構(gòu)件作垂直線角或凹槽，而水平構(gòu)件作水平線角;承重構(gòu)件樸素?zé)o華，而裝飾雕刻集中在填充部分或其他非承重構(gòu)件上。所以柱式的受力體系在外形上脈絡(luò)分明。
古羅馬人繼承了希臘的柱式，根據(jù)新的條件把它加以發(fā)展，柱式到了羅馬時代，多數(shù)己經(jīng)不是結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而退化成僅是一種裝飾。
（2）拱券結(jié)構(gòu)
在古埃及拱券結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)展起來，究其原因可能是由于缺少木材來制作模架的緣故。石拱在一些帝王和貴族的金字塔、墓葬中有一些運用,大致有三種類型：疊澀拱、石板拱。（圖2.5~2.6）
真拱，構(gòu)成真拱的砌體的粘合線不像疊澀拱那樣是平行線，而是放射線。更重要的是組成真拱的砌體不是方形的，而是一段段的圓環(huán)。古埃及人用于砌筑真拱的材料主要是磚砌體，石材的用量較少。
疊澀拱其實就是漸次接近的兩排砌體，在拱的中心位置交匯。從第二至第四王朝的這段時期’內(nèi)，疊澀拱在古埃及建筑中可以見到。人可以在第四王朝墓葬的墓室的頂部發(fā)現(xiàn)石頭砌成的疊澀拱。在胡夫金字塔的一條墓的頂部也是由石頭的疊澀拱砌筑而成的（長48.71m，高8.5m）
石板拱只用在如金字塔、墓葬等地下結(jié)構(gòu)之中，用于胡夫金字塔的石板拱有7至8m長，重達(dá)36噸。在第5至6王朝的金字塔墓室中通常由斜置石板組成的巨大的屋頂結(jié)構(gòu)，壓力沿著石板向墓室周圍的填充砌體或?qū)崏鲗?dǎo)。有時石板在頂部交匯處被設(shè)計成復(fù)雜的可以互鎖的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)今，石板拱常用于橋梁中。
拱券技術(shù)是古羅馬建筑最大的特色與成就。古羅馬人的北鄰伊達(dá)利亞人建筑工程水平很高，很早就用石頭砌筑疊澀假券。古羅馬人從伊達(dá)利亞人那里繼承了許多工程技術(shù)和建筑經(jīng)驗。公元前4世紀(jì)，羅馬城的下水道就有了真正的發(fā)券。公元前2世紀(jì)，假券被淘汰，在陵墓橋梁城門輸水道等工程上廣泛使用真的拱券，而且技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)高超。如公元前，44年建造的向羅馬城輸水的塔拉戈納輸水道，有10km長的一段架在一系列的發(fā)券上，跨度達(dá)到24.5m。（圖2.7）
在歐洲的中世紀(jì)，哥特式建筑將拱券技術(shù)推向了高峰。哥特建筑起源于法國，13至15世紀(jì)流行于歐洲，主要見于天主教堂，也影響到了世俗建筑。在西方傳統(tǒng)建筑發(fā)展史上，真正實現(xiàn)了石材的結(jié)構(gòu)和裝飾三種功能的完美結(jié)合。（圖2.8）
第一，哥特式建筑使用骨架券作為拱頂?shù)某兄貥?gòu)件，十字拱成了框架式的，其余的填充圍護(hù)部分就減薄到25至30cm左右，拱頂重量大為減輕，石材的用料節(jié)省了，側(cè)推力也小多了。骨架券使各種形狀的平面都可以用拱頂覆蓋，祭壇外環(huán)廊和小禮拜室拱項的技術(shù)困難迎刃而解。
第二，用獨立的飛券在兩側(cè)凌空越過側(cè)廊上方，在中廳每間十字拱四角的起腳抵住它的側(cè)推力，飛券落腳在側(cè)廊外側(cè)一片片橫向的墻上。從此，側(cè)廊的拱頂不必負(fù)擔(dān)中廳拱項的側(cè)推力，可以大大降低高度，擴(kuò)大中廳的側(cè)高窗，而且外墻上也因為卸去了荷載而窗子大開。于是，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減輕，材料進(jìn)一步節(jié)省。飛券較早使用在巴黎圣母院，它和骨架券一起使整個教堂的結(jié)構(gòu)近于框架式。
第三，全部使用二圓心的尖券和尖拱，尖券和尖拱的側(cè)推力比較小，有利于減輕結(jié)構(gòu)，而且使不同跨度的券和拱可以一樣高。因此，骨架券的十字拱項不致逐間隆起。甚至，十字拱的間也不必是正方形的了。12世紀(jì)時，中廳還沿用正方形的間，每間中用骨架券橫一下。到13世紀(jì)，中廳的間就同側(cè)廊一樣進(jìn)深，不再橫分。于是，中廳兩側(cè)大小支柱交替和大小開間套疊的現(xiàn)象消失了。內(nèi)部的形象因此整齊、單純、統(tǒng)一。不僅在結(jié)構(gòu)上，而且在裝飾、華蓋、壁盒等等一切地方，一切細(xì)部，尖券都代替了半圓券，風(fēng)格是統(tǒng)一的。
（3）墻體砌筑技術(shù)
古埃及人廣泛的把石材用于墻體的砌筑中，其砌法非常的多樣，許多種砌法時至今日仍無多大的改變。（圖2.9）在有的砌法中對作為維護(hù)裝飾的面層和作為承重的內(nèi)砌筑層也已進(jìn)行了區(qū)分。（圖2.10）
古希臘人把墻體的砌筑視為一種高等的藝術(shù)行為。古希臘墻體的砌塊尺度不像古埃及的那么巨大，但是組成部分更加精美，風(fēng)格的跨度無與倫比的豐富。古希臘人在墻體的砌筑中沒有內(nèi)外層石料之分，在一層墻體中，石材既起到了結(jié)構(gòu)功能又起到了維護(hù)功能。而裝飾的功能則是通過多變的砌筑方式來達(dá)到的。
古希臘人在砌石塊時不用灰漿，砌塊安放得相當(dāng)精準(zhǔn)。每層石頭中間做成微凹的形狀，每塊石頭就位時加點細(xì)砂以便緊密的結(jié)合。這種作法緣自古埃及，有的時候為了防止砌塊的移動，砌塊中會使用水平或垂直的銷子固定來保證安全，銷子全是由金屬制成。由于金屬連接物過于昂貴，只能被用在最高等的建筑物中。其他墻體的安全只能依賴于單個砌塊的重量，除了在少數(shù)的神廟建筑中采用方整的砌塊，一般的砌筑方式都是由不規(guī)則的石塊粗砌在一起，在所有的砌筑風(fēng)格中最古老的是將砌塊沿曲折的輪廓切割，以毛石亂砌法進(jìn)行砌筑。這種砌法到了六世紀(jì)的時候己經(jīng)被一種多邊形的琢石砌法所代替。在特爾裴神廟保留下來的墻體中，包含有多角石混合曲線石的石工砌法，這顯然是在兩種風(fēng)格的過渡過程中修建的。在雅典多角石砌法在公元六世紀(jì)中葉始到了頂峰。（圖2.11）
在五世紀(jì)的晚期出現(xiàn)了另一種砌筑風(fēng)格，一種在規(guī)則砌筑和多角石砌筑之間的妥協(xié)。砌塊的頂部和底部都是平的，砌層的高度是相同的，但砌塊的側(cè)邊總是被斜向切割，這種砌法易于建造而又不顯得粗野，而且斜切的側(cè)邊所造成了穩(wěn)定的互鎖感，因此這種風(fēng)格被頻繁的使用。
多邊形的砌塊因為具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，一直被用于城防工事之中。一種裝飾性的多邊形砌塊風(fēng)格的復(fù)興出現(xiàn)在希臘化時期。其風(fēng)格與六世紀(jì)時的多邊形砌塊風(fēng)格己經(jīng)大不相同了，出與美化裝飾的目的，建造者故意把砌塊切割成最奇異的圖案。規(guī)整的砌筑有多種的形式，是從神廟建筑的精工石作上發(fā)展出來的，在這些建筑的基礎(chǔ)部分和墻體部分，砌塊的長度尺寸比高度尺寸大得多，砌塊的長度會沿著層的方向變化。在其他一些墻體中，砌塊可以朝里放置而短邊朝外露出來，形成了多變的外表。
古羅馬，在建筑中為了支撐沉重的拱頂和彎頂，抵御側(cè)推力，墻垣很厚，甚至有厚達(dá)幾米的。混凝土的墻起初是內(nèi)外兩面先各砌一道石墻，把混凝土澆筑在當(dāng)中。后來，為了節(jié)約石材，混凝土用模板澆筑，在混凝土之外總會包砌面層。起初，面層的材料與墻芯骨料用料相同，幾乎一成不變。這層面層由最初的不規(guī)則石塊，發(fā)展成為毛石亂砌法。在羅馬，因為有更軟、更易于加工的凝灰?guī)r，這種亂砌法變得漸有章法，出現(xiàn)了向規(guī)則化成層砌筑發(fā)展的趨勢，并且漫漫地發(fā)展成方石網(wǎng)眼砌法，即用地面10cm×10cm左右的整齊的方錐石塊排滿表面，尖角朝里，底面形成規(guī)則的斜方格。其最早實例見于公元前55年的龐貝劇場（圖2.12）。這種網(wǎng)狀團(tuán)可以結(jié)合凝灰?guī)r小方塊或者磚形成混合砌體。這些面層的處理式樣在今意大利中部地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。在羅馬的大角斗場中，古羅馬人用凝灰?guī)r料石構(gòu)成了角斗場的承重體系，在外部又包砌了一層石灰華。
