在中国古代建筑中,古人在利用岩、土、水介质中,体现了哪些设计智慧？ 清华大学建筑系的历史
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我国古代人民开发和利用地下空间的历史由来已久。早在远古穴居时代就已利用天然崖洞作为居住处所。我国古代文献中对上古穴居有着很多记载：
《易•系辞》谓“上古穴居而野处”；《礼记•礼运》谓“昔者先王未有宫室，冬则居营窟，夏则居橧巢”；《墨子》曰：“古之民，未知为宫室时，就陵阜而居，穴而处”——这些记载都反映出原始人类在生产力很低的情况下可能采取的居住方式。
▲中国北方居住建筑发展过程示意图
在建造地面建筑的技术尚未完全成熟之前，当天然洞室不能满足居住需求时，开挖地下空间为居住所用则成为一种必然的趋势。例如在黄河流域生活的先祖，利用黄土层开凿不易崩溃的特性，开挖地下或半地下的居住空间。
除居住所建的地下工程外，古人在地下陵墓、地下水利工程、地下交通隧道、地下矿井巷道、地下军事地道、石窟寺等方方面面的地下工程建造方面都取得了极其辉煌的成就。
如果用现代地下工程的视角去看待古代建造的地下建筑会是怎样的情况呢？本文尝试做一些粗浅的分析，抛砖引玉。
地下建筑
老子在《道德经》中有一句话可作为建筑本质之诠释：“凿户牖以为室，当其无，有室之用。故有之以为利，无之以为用。”即，建筑的本质是搭建可以使用的空间。
地下建筑作为建筑之一类，也应当满足上述属性。以古人营建墓穴为例，上古之人尽管也做竖穴土坑、也“入土为安”，但尚未使用棺椁。逝者入坑，回填土石，即完成下葬。《易》曰:“古之葬者,厚衣之以薪,藏之中野,不封不树,后世圣人易之以棺椁。”《路史•后纪五》罗注:“棺椁之作,自黄帝始。”尽管不能确定棺椁就是黄帝发明的，但棺椁的使用却是把墓葬之事提升到了地下工程的层面，或至少具备了雏形。尤其是椁室，成为为逝者营建出的一个地下空间。后世不论竖穴、横穴，抑或木椁、砖石地宫，都可看做将这个逝者的地下空间发扬光大的过程。
▲古代地下建筑和地上建筑示意图
任何建筑形式，在用有形材料构建无形空间的时候，都必然会将建筑营建于周围介质之中。地下建筑与地上建筑的本质区别，就在于周围的介质是什么。地上建筑是建造在空气当中的，而地下建筑则建造在岩土当中。从这一角度上讲，有些古代陵墓尽管是建造在地面之上的（如成都前蜀永陵、吉水东吴大墓等），但墓拱券之上有覆土，建筑赋存于土中，则也当归入地下建筑。
▲前蜀永陵地宫结构示意图（永陵博物馆，笔者摄）
上述赋存环境的差异，直接导致地下建筑和地上建筑在力学作用机理上产生明显的区别。相比于地面建筑，地下建筑无论是在荷载、建筑材料和结构对荷载响应的分析计算上不确定因素都更多。地下建筑除了直接围合地下空间的结构（如砖石拱券、木椁等，可将其看做是衬砌），周围的地层（称之为围岩）同样属于地下结构的重要组成部分。围岩和支护共同作用，构成承载的体系。在极端情况下，如果围岩能够自稳，可以不用支护。这种例子很多：比如西北黄土地区开挖窑洞，北京延庆古崖居，中国第一条交通隧道汉中石门隧道等，都是没有支护，由围岩直接承载而确保地下空间的形成。
▲海昏侯墓墓室结构示意图（新京报高俊夫）
明挖·暗挖
今天我们在城市中修建地铁车站时，经常采用两种方法——明挖和暗挖。明挖也就是将地层开膛破肚，像修建建筑基坑一样，等开挖到设计标高，施作结构，最后再回填覆土。而暗挖则不然，即不挖开地面，采用在地下挖洞的方式施工。
古代的地下工程如何处理明挖和暗挖？
当然，明挖的实例非常多。从殷墟的商王陵，到西汉马王堆汉墓，不同规模的竖穴墓从本质上看都是基坑开挖-营建椁室-安放棺材-回填覆土的过程，和现代明挖地下工程的步骤无异。当墓穴开挖深度过大时，会分级放坡开挖，有的时候还会用木板做临时基坑支护。
▲殷墟亚字形大墓（刘敦桢）
▲秦公一号大墓（笔者摄）
至于暗挖，当然也是有的。
第一类暗挖，是和明挖相结合，明挖到设计标高（或许有时并没有严格的设计，只是遵从经验挖到一定深度），再横向暗挖洞室。比如我国西北广泛存在的早期土洞墓，就是先从地表往下先挖一长方形竖穴坑做墓道，然后在墓道的一端或长的一侧横穿掏洞作为墓室。这种土洞墓存在时间上至新时代时期，下至周代，发掘数量上千座。这种墓穴的建造方式时至今日在西北采用土葬的农村地区还在使用。
▲甘肃武山县东旱坪战国墓
另一个例子是著名的窑洞地坑院。其主体结构的施作流程包括：定向、放线-挖天井院-挖入口坡道、门洞、水井-挖窑洞-砌筑窑脸等。其中开挖天井院为明挖，而开挖院内窑洞则暗挖。
▲地坑式窑洞（李乾朗）
第二类暗挖，并无明挖辅助，是在山崖或山坡上开凿洞穴。这一类暗挖绝大多数并不需要支护结构的辅助（关于支护结构的应用后文还会讨论）。早在西汉时，这种技术就已经非常成熟，在长江沿线很多地方都有汉代崖墓存世，而汉王墓中也有相当一部分属于这种类型。其中，芒砀山的梁王及王后墓的规模就非常惊人。
▲保安山二号墓透视图
衬砌结构
当隧道或地下空间形成后，为了防止围岩失稳，需要建造支护或衬砌结构确保地下空间的完整和安全。但当围岩条件非常好的时候，是可以不施作支护和衬砌的。
人们对支护结构的认知理念和技术水平是从上世纪才达到基本成熟的。在古代，明挖结构的外椁可相当于隧道的衬砌，以提供一个完整的地下空间；而暗挖的衬砌建造却有一定难度，很多古代暗挖地下工程都是不做衬砌的——当然，这样做的前提是围岩条件足够好。
建造于东汉永平年间的石门隧道（上世纪修建石门水库已被淹没）采用火烧水冷的建造方法，是世界上存世的最早的交通隧道。这种在岩石中开凿的隧道由于岩体坚硬稳定，完全不用施作衬砌。
▲褒斜古道及石门隧道（现已淹没于石窟水库）
岩土体如果强度很低，但只要稳定性好，仍然可以不建造衬砌。比如西北地区的窑洞，又如北京延庆古崖居。
▲延庆古崖居（笔者摄）
古代明挖地下墓葬的棺椁一定程度上起到了衬砌的作用。在西汉及以前的陵墓中广泛采用，外椁用木材榫卯搭接，提供出内部的空间，内部空间进一步按照宫室功能分成若干小间。
▲湖南长沙战国木椁墓结构（刘敦桢）
到东汉，空心砖的普及使得建造砖墓称为可能。砖墓是真正意义上有完整衬砌结构的地下工程。
▲汉代砖墓墓顶结构示意图（刘敦桢）
暗挖地下工程施工支护结构的做法远在商代就已经非常成熟。1988年在江西瑞昌发现了商代中晚期的铜矿遗址，其采选方法既有露天采场，也有坑采井巷和选矿槽井。1987年在安徽铜陵县发掘除了金牛洞古采矿遗址，清理出了从春秋到西汉的多处古代采矿井巷和一批采掘生产工具，目前已经清理出了竖井、干巷、斜井为半框式和方框式木支撑结构。
“中国古建筑分为最常见的木结构、石木结构(如布达拉宫等藏式古建筑)、石结构(如石牌楼、石桥及部分地区的长城等)、土结构(如秦汉时期的长城、延安陕北地区的窑洞等)、砖结构(如影壁、围墙等)、竹建筑(南方少数民族地区的竹楼等)。综上,根据不同建筑的结构特点,古建筑所用的建筑材料主要。
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