中国古建筑的斗拱结构是否符合力学原理？

斗拱这个名词相信很多人都耳熟能详，也是中国古建筑最具特色的设计之一。

但是，如果我问您斗拱的原理是什么？为什么非要把木头做成这个样子？您能解释给我听吗？您能说出个所以然来吗？

如果您解释不出来，只是在百度百科上读过几行似是而非的文字，那又怎么能评判它是不是符合力学原理呢？是不是老祖宗智慧的结晶呢？

设想我们用木料盖房子，最简单的，四根立柱，四根横梁，比如下图这样：

这样直接把横梁放在柱子上头的做法行不行呢？感觉不太牢靠，就像是随便搭的积木，随时都能散架。

因为没有任何机制能阻止横梁在水平方向的移动，所以一点风吹草动，一点点晃动，可能横梁就自己滑下来了。

那怎么办呢？

最简单的，用胶水把它们粘在一起就解决了。

这的确是个好方法，事实上现在的很多家具就是这么做的。

可惜，老祖宗那时候的材料科学不发达，没有现在的胶水，做不到可靠的把木头粘接起来。

另一个可能的方法，用钉子把它们钉在一起。

一方面，跟胶水一样，老祖宗那时候的冶金不发达，金属钉子的力学性能、抗腐蚀性能都不能令人满意。

另一方面，木材是天然的各向异性材料。也就是说，一根木料其实是一捆木质纤维集合在一起组成的，就像是一捆塑料吸管绑在一起。类似这样：

正因为如此，如果像下图那样，拿一根钉子，穿过横梁的端头，竖直着敲进柱子，把横梁和柱子钉在一起，这时候这根钉子是平行于柱子的纤维方向的。也就是说，钉子其实是钉在了这些互相平行的纤维之间的缝隙里，并没有特别可靠的连接。这样的钉子发挥不了太大的作用，远远比不上垂直于这些纤维方向钉进去的钉子。

用胶水吧那时候没有，用钉子吧效果又不好，那怎么办呢？

方法就是下图这样，在柱子上开槽，让横梁「坐进」这个槽里。

因为有了这个凹槽，现在直接跟柱子接触的那两根横梁已经嵌进了这个槽里，至少不会往两边滑动了，但是这两根梁还是有可能沿着自己的轴线方向滑动，也就是沿着这个槽的方向来回滑动。

另外那两根梁还是像积木一样直接摞上去的，同样的方法，我们也可以在一个方向的横梁上开槽，让另一个方向的横梁落到这些槽里。

现在上面的这两根横梁已经嵌进了底下的这两根横梁的槽里，底下的两根横梁已经嵌进了柱子上的槽里。

这四根横梁都已经不能往两边滑动了，因为已经各自嵌进了对应的槽里，两边无处可去。

但是这四根横梁依然可以沿着轴线方向滑动。比如说，我依然可以把一根横梁给「抽」出来。事实上，所谓的孔明锁或者叫鲁班锁就是这个原理，因为槽的存在，不能向两边移动，但是可以沿长边的轴线方向移动。（孔明锁或者鲁班锁，其他国家叫 Burr puzzle，最早是 1785 年德国玩具商生产的，最早出现在中文里是 1889 年唐再丰编写的《中外戏法图说》）

为了阻止横梁在轴线方向可能的滑动，我们再进一步，在柱子的另一个方向也开槽，做成一个「十字形」的槽，把两个方向的横梁都嵌进去。就像这样：

现在再看一下，底下的这两根横梁已经抽不出来了，因为上面的横梁已经嵌进了柱子里，彻底把底下的横梁卡死在里面了。

上面的横梁还是可以被抽出来，这时候我们可以修改一下开槽的尺寸，做出一些榫头来，把上面的这两根横梁也卡住。比如像下图这样，上面的那个横梁开四个浅的凹槽，底下另一个方向的横梁开两个贯通的槽，这样就可以互相咬合在一起，然后一起嵌进柱子上那个十字形的槽里。这样就保证了所有的梁都不会滑动。现在这四根梁已经都咬合在一起，没有一根能够被直接「抽」出来了。