拱心石的结构功能和意义

虽然拱不如砖石建筑那么古老，但它的历史也很悠久。有证据显示，在埃及和美索不达米亚，完全成熟的砖拱可追溯到公元前3600年左右。石拱似乎是从“挑砖”观念中分离出来的，也可能是独立演化出来的，这种结构是指从两边逐步增建砌体直到石块在中间相遇。梯林斯的迈锡尼城墙深处的拱形室（见插图5）——当荷马对之发出惊叹时，它们已成古迹了——就是用这种方法筑顶的。这些巨墙的后门（见插图6）可被视为挑砖的发展，它可能建于公元前1800年以前。

然而，挑砖^[8]或半挑砖的拱，就像梯林斯的门那样，是一个相当粗糙的东西。拱很快发展成一种构造，其中拱环的砖块或石块略呈楔形，被称为“楔块”。传统拱的各个部位如图9-13所示。

图9-13　拱的各个部位

拱顶部或拱冠处的楔块叫作“拱心石”，有时会比其他楔块大。虽然诗人、政客和其他非技术人员把独特的品质赋予现实意义和比喻意义中的拱心石，但事实上拱心石的功能和所有其他楔块没有差别，即使有，其特殊性也纯粹是装饰性的。

拱的结构功能是支撑作用于它的向下载荷，靠的是将向下载荷转化为侧向推力，这些侧向推力会绕拱环传递并使楔块相互推挤。当然，楔块也会依次推挤拱墩或拱脚。就常识而论，这个过程的运作方式相当清晰（见图9-14）。

拱环及其楔块非常像一堵曲面墙壁，各接合处受压缩载荷作用的位置可以以同样的方式用推力作用线来标示。在这种情况下，推力作用线是弯曲的，并或多或少要跟随拱的形状。我们将在下一章讨论拱中的推力作用线，暂且认为那里只有一条推力作用线。另外，像墙壁一样，我们可以假定楔块不能彼此相对滑动且接合处不能承受张力。

楔块间接合处的表现和墙体石块间接合处的表现差不多。如果推力作用线超过“中间三分之一”处，就会出现裂缝；同样，如果推力作用线移动到接合处的边缘，即移动到拱环的边界，就会形成“铰接”。然而，拱和一面朴素的墙之间的巨大差别就在于，墙倒塌了，拱却没有。由图9-15明显可见，在没有任何意外发生的情况下，拱上至少可以形成三个铰接点。事实上，很多现代拱桥上都特意建有三个铰接点，为受热膨胀留出余地。

图9-14　拱汇集垂直载荷并将之转化为侧向推力，这些侧向推力会绕拱环传递并受到拱墩的反作用

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图9-15　一个拱可容纳三个铰接点而不致坍塌；事实上，许多现代的拱会特意按这种方式建造

如果我们真的想让桥倒塌，那么我们需要4个铰接点，从而使拱实际上变成三节链或三节“构造”，结果可能是自我折叠并坍塌（见图9-16）。顺便说一下，这就是如果你要拆毁一座桥——出于好的或坏的原因——最好把炸药放置在拱的“三分点”附近的原因。这通常涉及向下挖穿路面以抵达拱环顶部。因为此举需要花费时间，所以在军队撤退后再拆毁桥梁往往是徒劳无益的。

图9-16　一座拱在坍塌前需要形成4个铰接点

这一切都意味着拱极其稳定并且对其地基的运动不会过度敏感。如果地基处有任何可察觉的运动，那么墙很可能会坍塌^[9]，而对于拱则无须太在意，发生某种形变是相当常见的。例如，由于桥墩的运动，剑桥后园的克莱尔桥（见插图7）中部产生了非常明显的弯曲。它已经如此存在了很长时间，并且相当安全。同样，拱能很好地抵御地震和现代交通等各类伤害。

总之，我们先辈中的许多人都非常沉迷于拱，这没什么好奇怪的，因为它们可能会一直屹立不倒，即便你所有的计算都错了（或者根本就没做任何计算），并且把整个结构的地基建在了沼泽上——几座英格兰的主教座堂就是这样。

值得注意的是，在废墟遗迹中，拱通常是保存状况最好的。这部分要归功于拱固有的稳定性，虽然更大的原因可能在于，楔形的拱石对当地农民的吸引力要小于墙上的矩形石块。尽管墙上的条石被偷，但许多希腊神庙的石柱却得以保留，无疑也是出于类似的原因。

如果砌体很厚，让推力作用线维持在墙或拱的内部通常较为容易；当然，坚实的砖石结构通常造价不菲。为了廉价地获得额外的厚度，罗马人引入了大块混凝土。混凝土的制作方法通常是用火山灰——种在意大利很常见的天然土——混合石灰，并加入砂砾和碎石。

如果墙和拱建造得很厚，那么它们通常会很稳定而不必建得过重。如果需运输和处理的材料不是很重，那么构造成本很可能会降下来。维特鲁威（活跃于公元前20年）是一位非常杰出的建筑学作家，也是一名炮兵军官，他告诉我们在他生活的时代，低密度的混凝土常常是通过混入浮石粉制成的。君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂（建于528年）的大穹顶就是用这种方法建成的。

重量和成本还能进一步降低，方法是在混凝土中混入一种空容器。在古代世界，分布广泛且繁荣兴盛的葡萄酒贸易是靠双耳细颈罐进行的。这些大型陶制容器完全不可回收利用，以致数量积累到令人为难的地步。明显的解决方案是将之浇筑到混凝土里，事实上许多晚期的罗马建筑物就是用这种方式建成的。特别是在拉韦纳，美丽的早期拜占庭教堂据说主要是由一次性空罐构成的。^[10]