近日，在印度新德里召开的联合国教科文组织第46届世界遗产大会上，“北京中轴线——中国理想都城秩序的杰作”被正式列入《世界遗产名录》。
北京中轴线南起永定门、北至钟鼓楼，包括天安门、故宫、景山、万宁桥等遗产建筑，纵贯北京老城南北，全长7.8公里。
北京中轴线建筑不仅布局合理、造型优美、文化浓厚，还蕴含着科学之美。下面，就让我们一起走近北京中轴线，体悟其中建筑的科学之美。
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天圆地方
√2的数学之美
√2为无理数，其代数解的近似值为1.414。从几何角度讲，√2可反映圆形和其外切四边形的关系。
故宫古建筑的立面造型多与√2相关。如太和殿建筑高度为26.1米，而其屋顶部分的高度为18.54米，二者之比为26.10∶18.54=1.41≈√2。
从比例构图来看，太和殿的建筑立面在长度方向的尺寸比例分布由3部分组成。若以太和殿屋顶高度为直径，在左右屋檐两部分分别绘制圆形，√2正是圆外切四边形的长边与短边之比。不仅如此，太和殿中间部分也可看作以建筑高度为直径的圆外切正方形。以√2为媒介，方与圆被巧妙地融合在建筑立面中，形成太和殿的建筑之美。
√太和殿立面√2的运用（供图 / 周乾）
√2既非两个正方形拼合后的长宽比，也非一个孤立正方形的长宽比，可产生令人感到舒适的视觉效果，突出了太和殿屋顶的高大庄重。
√2是故宫古建筑的数字“密码”。这与我国古人“天圆地方”的宇宙观密切相关。在中国现存的最早的数学和天文学著作《周髀算经》中载有“方属地，圆属天，天圆地方”，意为方的数理用于观测地，圆的数理用于观测天，即天圆地方。
包括故宫古建筑在内的古代都城、宫殿建筑的规划设计都是基于该理念开展的。天圆地方模型的美妙之处在于，当圆的直径与其内、外边长取简单整数时，近似的有“面积=周长”，实现了“形”与“数”的统一、数学与美学的融合。
√2与圆形和四边形的关系（供图 / 周乾）
抗震能手
榫卯节点的物理之美
所谓榫卯（sǔn mǎo），即两个相互连接的构件，其中一个构件端部伸出一节，称为榫头；另一个构件顶部预留一个口子，称为卯口。榫头插入卯口中，就构成了榫卯节点，又称榫卯连接。
北京中轴线古建筑梁柱连接所用榫卯节点，类型丰富，以燕尾榫最为典型。燕尾榫的构造特征为：额枋（古代建筑中柱子上端联络与承重的水平构件）端部的榫头被加工成燕尾式，而位于柱顶的卯口相应做成了同样形状、尺寸的凹口形式。
从形状来看，燕尾榫头非矩形，其特点是根部（榫头后部）窄、端部（榫头前部）宽。这种形式使得榫头与卯口仅能由上往下安装，安装后连接可靠、不易水平向拔榫，有利于木构架的稳定，亦体现了古代工匠的智慧。
燕尾榫安装示意图（供图 / 周乾）
通过榫头与卯口的协调作用，实现了榫卯节点优秀的抗震性能。
地震前，榫卯节点处于静止状态。地震时，柱脚抬升会使柱身产生倾斜，与额枋产生相对变形，榫头与卯口之间产生相对挤紧运动，并随着柱脚抬升幅度增大而明显；柱脚复位时，榫头与卯口之间产生相对拔出运动，并逐渐恢复到初始位置附近，且榫头与卯口始终保持连接状态。随着柱架的摇摆，柱顶榫头和卯口不断进行挤紧—拔出的协调运动，且由于榫卯节点数量较多，也会消耗较多能量，有利于减小地震给结构带来的危害。地震后，随着柱脚复位，榫卯节点亦基本恢复原状，构架仍保持稳定状态。
榫卯节点运动状态示意图（供图 / 周乾）
保暖防害
中草药的妙用
裱糊指在室内墙体、门窗、天花板等位置的木基层表面，用糨糊粘糊纸张、绢布等防护材料，既保暖防尘，又能起到华丽的装饰效果，为北京中轴线建筑装饰的做法之一。但由于木板、纸、布中均含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，糨糊所含面粉中还有多种营养素，均为蛀虫的食物来源，因而裱糊木基层及面层均容易遭受虫蛀。
据记载，故宫养心殿东暖阁、吉云楼的室内顶棚、墙板曾出现蛀眼，内务府大臣带领工匠在现场勘察后，决定对虫蛀位置先抹油灰，再重新糊高丽纸（我国造纸术传至朝鲜以后，朝鲜人利用本国原料制成的书画用纸），并用白矾、番木鳖（biē）、黄柏、秦艽（jiāo）等中草药等防治虫害。
这几种中草药用于裱糊工程的虫害治理，其机理或为中药本身所含的化学成分杀虫，或为不同中草药成分相互作用杀虫。而中草药杀虫的化学原理，则包括麻痹虫体、兴奋虫体、杀死虫体、抑制虫体细胞代谢等多种方式。
故宫内廷区域某建筑的室内裱糊（供图 / 周乾）
北京中轴线不仅是北京的城市脊梁，更是中国传统文化与科学精神的完美结晶。从故宫的严谨布局到天安门的雄伟气势，从鼓楼的精准计时到钟楼的悠扬钟声，当我们沿着这条无形却有力的线缓缓前行，每一次驻足都能感受到那份震撼人心的力量。这里的每一砖每一瓦都蕴藏着深邃的科学智慧与美学，如同一部跨越千年的编年史，诉说着人类文明的进步与辉煌。
撰文 | 周乾
责任编辑 | 王佳璇 张丽涵
运营编辑 | 张丽涵
质量审核 | 业蕾
❖ 来源：《知识就是力量》杂志
《时空交织 步履千年 北京中轴线建筑的科学之美》❖
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