榫卯是廣泛應用于中國古代建筑、家具及其他木制器械的傳統技藝之一。其歷史悠久，起源于河姆渡新石器時代，發(fā)展于春秋戰(zhàn)國時期，到宋代開始趨于成熟，明清時達到最高水平。榫卯結構設計科學精巧，不用一釘、一絲的金屬連接，就可實現歷經百年甚至千年的牢固不壞。本期微專欄我們就來科普一下什么是榫卯結構，它精巧的結構中蘊含了怎樣的力學原理。

據《集韻》記載，榫，剡木入竅也。榫卯，是在兩個木構件上所采用的一種凹凸結合的連接方式，包括榫頭和卯眼，凸出部分叫榫或榫頭，凹進去部分叫卯或榫眼，是我國古代建筑、家具及其他木制器械的主要結構方式。

直榫

萌萌噠榫卯結構高清動態(tài)組圖來啦

看著這些動圖，可能有的讀者會有疑惑，這個榫卯結構又凸又凹的，制作起來多費時費力，為什么工匠們不直接用釘子來連接呢木頭呢？

看似簡單的一個問題，其實可以講出很多有意思的因果。在木匠祖師爺魯班生活的時期，鐵器和銅器還都是重要的戰(zhàn)爭資源，一般的人民群眾是用不起的。即便是王公貴族要用，工匠們造出來的也只能是個頭兒長達十幾厘米，釘帽直徑在兩厘米以上的巨型釘子，且強度很差，需要借助燒紅的鐵棒在木材上碳化出一個孔來，才能把大釘子塞進去。

呃，原來如此！還是趕緊拜拜魯班祖師爺，感謝他對中國民族文明的重要貢獻吧。當時的魯班還是有兩把刷子的，在當時他就已經掌握十幾種榫卯結構了，最著名的應用就是流傳至今的魯班鎖?？粗燮饋淼臉幼?，感覺根本解不開?。vty.VIP

魯班鎖

之后歷經秦漢、魏晉南北朝、隋唐、宋元直至明清，榫卯結構有了長足的發(fā)展，式樣多達一百余種，在建筑上的應用登峰造極，出現了最大的木構建筑——紫禁城。

北京紫禁城角樓

巍峨的宮殿，至今已經幾百年了，依然很莊嚴肅穆、富麗堂皇，這明晃晃的證據著實說明了木質榫卯結構的堅固性。那么，問題來了，這是為什么？

先來說說榫卯結構在木質家具使用中所體現出的力學原理。中國古代木匠制作家具不僅講究外形美觀，而且講究其內在的科學合理性。他們沒有學過結構力學，但是在天長日久的實踐中，練就了通過目測就能大致判斷每塊木頭所受到的承受力的技巧，而這種基本的力學分析正是實現家具結實耐用性的重要前提。在日常經驗的基礎上，工匠們打造出各種不同的榫卯結構，設計出花樣繁多的外觀造型。

凸出的榫頭和凹進去的卯眼通過凹凸扣合，便緊緊咬合在一起。為了保證接口不會在木頭長期熱脹冷縮的過程中松動，工匠們會從不同的角度、方位讓一根木頭和其他木頭通過榫卯結構相連接，這樣接口處木頭漲縮的作用力就會相互抵消。此外，一些家具的外部造型設計還會進一步保證它在使用中的力學合理性。

半葉梅花凳

以半葉梅花凳為例，凳面設計采用自然中的梅花葉瓣，三根腿柱明榫相接，從上到下由細變粗。三角形的腿柱在設計中，和其他形狀相比，在物理力學上可以降低重心，大大提高穩(wěn)定性。有趣之處在于連接腿部的三根橫杖，每根橫杖端頭跟腿柱做明榫相交，而端尾跟另一跟橫杖2/3處做明榫相交，三根橫杖環(huán)環(huán)相套，在腿部重心形成三角形支點圖案，不僅視覺上美觀大方，在力學上也非?？茖W合理。此外，等邊三角形各內角60度，這種結構所創(chuàng)造的穩(wěn)定性，使凳子在受到壓力時，力會均勻地從腿柱分散到橫杖上，然后橫杖對腿柱又起到反作用力。

再說到木構建筑所應用的結構力學就更為典型，它們啟用更復雜的榫卯組合結構，使得結構之間力的相互作用更為平衡與和諧。

抬梁式建筑——佛光寺大殿，位于中國科技館一層華夏之光展廳

從佛光寺大殿的半剖模型照片可以看出，它采用的是地上立柱，柱上架梁枋，梁枋上建屋頂。頂部重量就由梁枋到柱，再由柱到地面，所以建筑中的墻壁只是起到隔斷作用而不承重。由于木結構各個構件之間的榫卯連接富有韌性，所以即便墻倒也能“屋不塌”。

山西應縣木塔，位于中國科技館一層華夏之光展廳。應縣木塔歷

經千年的四季變化、風霜侵襲和多達十幾次的地震，至今屹立不倒

上海世博會中國館——東方之冠

2010年2月8日，上海世博會中國館——“東方之冠”落成。在國家館的設計中使用了傳統建筑斗拱榫卯結構，中國傳統的斗拱曲線被拉直，這種簡約化的裝飾線條，完成了傳統建筑的當代表達。

中國科技館新館外觀示意圖

想不到吧，中國科技館新館也是榫卯結構的！新館的建筑主體是一個外形酷似魯班鎖的單體正方形。它結合了中國古代的科學思想和現代科技館的特點，借助結構力學把若干個積木般的不規(guī)則的立體相互連接、咬合在一起，使整個建筑呈現出一個巨大的魯班鎖造型。

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樂高積木玩具

樂高的積木發(fā)明者奧利·柯克有一手精湛的木匠手藝。1943年為自己的積木玩具設計了“樂高”商標。樂高積木深受榫卯影響，它的連接方式是凹凸榫合零件的組合方式。光是榫卯就有滑榫、直榫、斜榫等多種榫卯結構。