古希腊人很早就知道真拱长什么样,但是由于古希腊人在技术和思想上的保守,在很长一段时间里,平梁都是覆盖大跨度的唯一手段。在没有足够的承重把握的情况下,希腊人宁愿使用叠涩拱(corbel arches)也不会去使用真拱(True arches)这种结构,只有在一些特定区域,古希腊人才会放心使用真拱。
直到希腊化时代(Hellenistic period)的晚期(差不多前2世纪开始)希腊世界才开始真正在正式建筑上使用拱券和拱顶。
以上是原回答
首先希腊人知道拱券结构,这是毋庸置疑的。拱的历史比当时任何一个希腊人能追溯的最古老的祖先都还要古老(这是真的)希腊人周围的古老民族都会运用拱券结构来修建建筑。
先讲讲美索不达米亚,居住在两河流域的人们是世界上最早点出拱券(arch)结构的民族。世界上已知最早的拱结构,出现在公元前2000年两河流域的乌尔(Ur)只不过和我们熟悉的石拱不同,两河流域的拱券技术,所用的建筑材料大多是烧砖。
差不多到了希腊文明的古典时代(Classical period,公元前5-4世纪)两河流域的拱券技术已经相当成熟了,人们已经能建造很多蔚为壮观的拱结构建筑,具体代表就是公元前7世纪的巴比伦城伊什塔尔城门(Isthar Gate)
古埃及人也很早就知道了拱券结构和它们的原理。不过古埃及人开始修建拱顶的时间却比两河流域要稍微晚那么一点。已知古埃及最早的拱顶遗址,是公元前13世纪埃及第19王朝拉美西斯二世(Ramesses II)时期所修建的粮仓。
其实古希腊人知道拱,也有在建筑上使用过“拱”。在希腊,人们很早以前就会建造一种被称为叠涩拱(corbel arches)的假拱结构,之所以说它假拱,是因为在结构上,它不是真正意义上的拱券结构。
叠涩是一种古代砖石结构建筑的砌法,用砖石一层层堆叠向外挑出或收进。叠涩拱就是用砖石层层堆叠向内收分,最后在中线处收分合拢形成的拱。叠涩拱是一种很原始的拱结构,在世界上的很多地方的古代建筑里都有出现,对于那些还没有点出真正拱券技术的民族,这样的叠涩结构主要起到了扩大空间,提高承重效率的作用。
差不多在公元前16-11世纪的迈锡尼文明(Mycenaean civilization,希腊青铜时代文明)时期,叠涩拱顶在希腊人的建筑里就已经出现的很频繁了。在迈锡尼文明的标志性建筑“狮子门”(The Lion Gate)里,巨石横梁的上方就有这么一个叠涩拱,通过巨石的层层堆叠,留出了一个三角形空间(填上了雕刻有狮子的石板)来减轻横梁所受到的重量。
看上去好像是挺有学问的,但是与真正的拱相比,叠涩拱仍然差远了。叠涩拱不能像真拱一样把上部的竖向力和弯矩全部转化成压应力导向支座,它只是用砌块砌出拱的形状。在形式上你可以把叠涩拱简化为一个简支梁,或者一个“品”字。用来堆砌的材料强度和粘合程度越强,叠涩拱所能承受的重量也就越大。
而且我们之前也提到,由于属于简支梁的结构,叠涩拱仍然是一个受弯构件。在叠涩拱的内部同时存在着拉应力和压应力(理想状态下的真拱是只有压应力的)为了让拱自身不会因为自重而坍塌,叠涩拱需要在两侧有很稳固的支撑结构,这也是为什么,我们看到的叠涩拱都修建的很厚实的原因。
不过说了这么多,还是回到一个基本的问题:为什么不管是我们想到的还是实际看到的,希腊人都没有在大多数建筑里(像是希腊神庙上)使用真正意义上的拱结构
这个问题很复杂,首先我们得从拱本身的结构说起:
是这样的,在结构上定义一个拱,不是看它的外形,而是看它产生的侧推力。拱传递给支座的力是斜向的,分为水平和竖直两个分力。竖直方向上的分力可以传递给柱子;而水平方向上的分力,就要用专门的措施去解决了。
我们回顾一下之前两河流域的拱结构,大家会发现有这么一个特点:
不难看出大多数早期两河流域的单拱结构,都是修建在两边有墙体的城门上,或者像排水沟这样的地下结构里。这其实是拱本身的一个特点,因为拱会产生水平方向的分力,为了平衡侧推力,需要拱的两端足够坚实。早期的单拱结构需要的是像城墙那样厚实的墙体或者在地下这样有很稳固岩石地基的结构,在这里能比较好的解决侧推力的问题。
然后希腊人想了一下:俺们家的神庙长的是这样的阿
通常意义上,古希腊的大跨度神庙都是使用平直的楣梁/额枋(Architrave)而非拱券的。和拱相比平梁最大的特点就是它主要产生的是竖向的分力,石柱的承载性能主要受竖向力来控制,因此希腊的神庙也就可以只靠合理布置柱子来平衡竖向力,而不太需要添加专门的抗侧力构件。
那么我们来想象一下:如何在帕提农神庙上建造一个拱顶
古希腊的神庙一般没有在水平方向上做支撑侧推力的结构,所以如果想在帕提农神庙上建拱,我们就必须增加一个水平方向上的支撑。我们还是分情况来考虑,如果我们修建的是横跨边柱的拱顶,就像……温室大棚一样
要想满足这么大跨度的拱顶产生的侧推力……需要的抗侧力构件肯定也不是一般的抗侧力构件。这可不是随便修一堵墙就能解决的东西,你至少得用类似……这样的额外专门抗侧力构建才能达到平衡:
既然不能修那么大的跨度,那我们跨度修小一点好了,我们就只在帕提农神庙的正殿(naos)上起拱好了。
如果这样做的话,支撑拱的中柱左右两端的拱端水平力就传了给边柱,所以边柱仍然是逃不过专门支撑的。但是我们假设把那些石梁跨度过长阿、梁柱和拱顶之间的衔接问题这类都解决了,然后边柱外侧再用扶壁支撑一下的话,似乎是可行的……
但是,就算这样是可行的,古希腊人也不会同意的……这样做的最大阻力,来自古希腊人对于美学的一种执念。
古希腊人认为,美来自于比例上的和谐。帕提农神庙本身,就是一件合乎比例关系的艺术品。古希腊建筑上已经被认可的各种构图要素,已经成为定律的各种比例,都是在梁柱式建筑的基础上产生的。如果抛弃原先的楣梁支撑体系改用拱结构,那么古希腊人用几百年时间所积累起来的美学要素就会被完全推倒重来,这是古希腊人在感情上所不愿接受的。
因此对于保守的希腊人来说,在正式的建筑里,楣梁几乎是覆盖跨距的唯一手段。就算石梁的跨度过大,古希腊人也会采取插铁筋的方式来增加梁的抗弯性能。在城门这样的结构里,古希腊人会尽量使用横梁或者叠涩拱,只有在叠涩拱不能满足的跨距上,古希腊人才会使用真拱。不过凡事皆有特例,在古典时代的希腊,有一个地方是可以拿来修建真拱的。
只有在地下陵墓或是地下输水道这类既隐秘,基座又很稳固的地方,古希腊人才敢放心的使用真拱。迄今为止已知的大部分希腊早期拱券结构,都发现于这类在地下所修建的陵墓廊道里。在地下陵墓里使用拱券也不是只有希腊一家,在我国的汉代,陵墓中使用空心砖拱券就已经是一项非常成熟的技术了。
不过,事情也是有转机的。差不多在希腊化时代的末期(公元前2世纪-公元前1世纪)希腊人也算是终于明白了拱这一结构在美学上所能表达的价值,拱券结构也逐渐被当时的希腊人所认同并被吸纳进了希腊人的美学思想里。在这一时期的希腊城市中出现了很多在构图上使用拱券的例子,例如在广场或者剧院的入口处,还有在城墙的城门处使用拱门。拱的巨大潜力在这一时期也终于被希腊人所发掘,当然希腊人扮演的不是一个开拓者的角色,拱结构的发扬光大,还是得等到希腊人之后的罗马人来完成。