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古代石材技術的演變
（1）梁柱結構
最早的石梁柱體系出現(xiàn)在古埃及，是從木質梁柱發(fā)展而來的。古埃及的石質梁柱往往跨度不大且顯得十分粗壯。底比斯的盧克索神廟的柱廳內巨大的空間由許多石頭過梁來覆蓋，整個廳中石柱如林，高大粗壯的柱子處處遮斷人的視線，使得粗壯的石質梁柱在滿足神廟空間功能需求的同時，又滿足了神廟對于神秘、壓抑氣氛的需求。（圖2.3）
希臘時期石柱梁體系達到了成熟。石材先用來做柱子，起初是整塊石頭的，后來分成許多段砌筑，每段的中心有一個梢子。在檐部，先把石材用于充填部位，后來才用于額仿，這在技術上非常困難。到公元前7世紀末，有些廟宇，除了屋架之外，己經(jīng)全用石材建造了。屋面一直被用木材建造，甚至在石砌的廟宇上也是如此。雅典衛(wèi)城上許多廟宇的遺址之所以都沒有留下屋項，恰恰說明了這一點。（圖2.4）
由于石材屬于脆性的材料，有抗拉、抗剪強度低、自重大等弱點，其在水平方向的發(fā)展受到一定的限制。在古埃及、古希臘的仿木構石梁柱結構明確的反映出這一特征。公元7至4世紀期間，橫跨在兩柱間的木梁改為額仿式的石梁，其最大的跨度僅為6m左右，超過這一跨度就必須在跨度之間增加柱子。
石梁柱結構的高厚比一般比較大，主要是受到剪力角的限制。古希臘的柱式是建立在力學基礎上的，當建筑的安全性等技術問題總體解決后，古希臘人將注意力轉向柱子的視覺關系，并根據(jù)人體的比例，推導出愛奧尼、多里克、科林斯柱式。雖然它是以石材模仿木梁柱體系，在石結構受力性能上并不合理，但是石質柱式的形式反映了結構因素和裝飾因素的成功結合。柱式體現(xiàn)著嚴謹?shù)臉嬙爝壿?，條理井然，每一種構件的形式完整，適合它的功能。垂直構件作垂直線角或凹槽，而水平構件作水平線角;承重構件樸素無華，而裝飾雕刻集中在填充部分或其他非承重構件上。所以柱式的受力體系在外形上脈絡分明。
古羅馬人繼承了希臘的柱式，根據(jù)新的條件把它加以發(fā)展，柱式到了羅馬時代，多數(shù)己經(jīng)不是結構構件，而退化成僅是一種裝飾。
（2）拱券結構
在古埃及拱券結構并沒有發(fā)展起來，究其原因可能是由于缺少木材來制作模架的緣故。石拱在一些帝王和貴族的金字塔、墓葬中有一些運用,大致有三種類型：疊澀拱、石板拱。（圖2.5~2.6）
真拱，構成真拱的砌體的粘合線不像疊澀拱那樣是平行線，而是放射線。更重要的是組成真拱的砌體不是方形的，而是一段段的圓環(huán)。古埃及人用于砌筑真拱的材料主要是磚砌體，石材的用量較少。
疊澀拱其實就是漸次接近的兩排砌體，在拱的中心位置交匯。從第二至第四王朝的這段時期’內，疊澀拱在古埃及建筑中可以見到。人可以在第四王朝墓葬的墓室的頂部發(fā)現(xiàn)石頭砌成的疊澀拱。在胡夫金字塔的一條墓的頂部也是由石頭的疊澀拱砌筑而成的（長48.71m，高8.5m）
石板拱只用在如金字塔、墓葬等地下結構之中，用于胡夫金字塔的石板拱有7至8m長，重達36噸。在第5至6王朝的金字塔墓室中通常由斜置石板組成的巨大的屋頂結構，壓力沿著石板向墓室周圍的填充砌體或實墻傳導。有時石板在頂部交匯處被設計成復雜的可以互鎖的結構?，F(xiàn)今，石板拱常用于橋梁中。
拱券技術是古羅馬建筑最大的特色與成就。古羅馬人的北鄰伊達利亞人建筑工程水平很高，很早就用石頭砌筑疊澀假券。古羅馬人從伊達利亞人那里繼承了許多工程技術和建筑經(jīng)驗。公元前4世紀，羅馬城的下水道就有了真正的發(fā)券。公元前2世紀，假券被淘汰，在陵墓橋梁城門輸水道等工程上廣泛使用真的拱券，而且技術己經(jīng)相當高超。如公元前，44年建造的向羅馬城輸水的塔拉戈納輸水道，有10km長的一段架在一系列的發(fā)券上，跨度達到24.5m。（圖2.7）
在歐洲的中世紀，哥特式建筑將拱券技術推向了高峰。哥特建筑起源于法國，13至15世紀流行于歐洲，主要見于天主教堂，也影響到了世俗建筑。在西方傳統(tǒng)建筑發(fā)展史上，真正實現(xiàn)了石材的結構和裝飾三種功能的完美結合。（圖2.8）
第一，哥特式建筑使用骨架券作為拱頂?shù)某兄貥嫾止俺闪丝蚣苁降?，其余的填充圍護部分就減薄到25至30cm左右，拱頂重量大為減輕，石材的用料節(jié)省了，側推力也小多了。骨架券使各種形狀的平面都可以用拱頂覆蓋，祭壇外環(huán)廊和小禮拜室拱項的技術困難迎刃而解。
第二，用獨立的飛券在兩側凌空越過側廊上方，在中廳每間十字拱四角的起腳抵住它的側推力，飛券落腳在側廊外側一片片橫向的墻上。從此，側廊的拱頂不必負擔中廳拱項的側推力，可以大大降低高度，擴大中廳的側高窗，而且外墻上也因為卸去了荷載而窗子大開。于是，結構進一步減輕，材料進一步節(jié)省。飛券較早使用在巴黎圣母院，它和骨架券一起使整個教堂的結構近于框架式。
第三，全部使用二圓心的尖券和尖拱，尖券和尖拱的側推力比較小，有利于減輕結構，而且使不同跨度的券和拱可以一樣高。因此，骨架券的十字拱項不致逐間隆起。甚至，十字拱的間也不必是正方形的了。12世紀時，中廳還沿用正方形的間，每間中用骨架券橫一下。到13世紀，中廳的間就同側廊一樣進深，不再橫分。于是，中廳兩側大小支柱交替和大小開間套疊的現(xiàn)象消失了。內部的形象因此整齊、單純、統(tǒng)一。不僅在結構上，而且在裝飾、華蓋、壁盒等等一切地方，一切細部，尖券都代替了半圓券，風格是統(tǒng)一的。
（3）墻體砌筑技術
古埃及人廣泛的把石材用于墻體的砌筑中，其砌法非常的多樣，許多種砌法時至今日仍無多大的改變。（圖2.9）在有的砌法中對作為維護裝飾的面層和作為承重的內砌筑層也已進行了區(qū)分。（圖2.10）
古希臘人把墻體的砌筑視為一種高等的藝術行為。古希臘墻體的砌塊尺度不像古埃及的那么巨大，但是組成部分更加精美，風格的跨度無與倫比的豐富。古希臘人在墻體的砌筑中沒有內外層石料之分，在一層墻體中，石材既起到了結構功能又起到了維護功能。而裝飾的功能則是通過多變的砌筑方式來達到的。
古希臘人在砌石塊時不用灰漿，砌塊安放得相當精準。每層石頭中間做成微凹的形狀，每塊石頭就位時加點細砂以便緊密的結合。這種作法緣自古埃及，有的時候為了防止砌塊的移動，砌塊中會使用水平或垂直的銷子固定來保證安全，銷子全是由金屬制成。由于金屬連接物過于昂貴，只能被用在最高等的建筑物中。其他墻體的安全只能依賴于單個砌塊的重量，除了在少數(shù)的神廟建筑中采用方整的砌塊，一般的砌筑方式都是由不規(guī)則的石塊粗砌在一起，在所有的砌筑風格中最古老的是將砌塊沿曲折的輪廓切割，以毛石亂砌法進行砌筑。這種砌法到了六世紀的時候己經(jīng)被一種多邊形的琢石砌法所代替。在特爾裴神廟保留下來的墻體中，包含有多角石混合曲線石的石工砌法，這顯然是在兩種風格的過渡過程中修建的。在雅典多角石砌法在公元六世紀中葉始到了頂峰。（圖2.11）
在五世紀的晚期出現(xiàn)了另一種砌筑風格，一種在規(guī)則砌筑和多角石砌筑之間的妥協(xié)。砌塊的頂部和底部都是平的，砌層的高度是相同的，但砌塊的側邊總是被斜向切割，這種砌法易于建造而又不顯得粗野，而且斜切的側邊所造成了穩(wěn)定的互鎖感，因此這種風格被頻繁的使用。
多邊形的砌塊因為具有較強的穩(wěn)定性，一直被用于城防工事之中。一種裝飾性的多邊形砌塊風格的復興出現(xiàn)在希臘化時期。其風格與六世紀時的多邊形砌塊風格己經(jīng)大不相同了，出與美化裝飾的目的，建造者故意把砌塊切割成最奇異的圖案。規(guī)整的砌筑有多種的形式，是從神廟建筑的精工石作上發(fā)展出來的，在這些建筑的基礎部分和墻體部分，砌塊的長度尺寸比高度尺寸大得多，砌塊的長度會沿著層的方向變化。在其他一些墻體中，砌塊可以朝里放置而短邊朝外露出來，形成了多變的外表。
古羅馬，在建筑中為了支撐沉重的拱頂和彎頂，抵御側推力，墻垣很厚，甚至有厚達幾米的。混凝土的墻起初是內外兩面先各砌一道石墻，把混凝土澆筑在當中。后來，為了節(jié)約石材，混凝土用模板澆筑，在混凝土之外總會包砌面層。起初，面層的材料與墻芯骨料用料相同，幾乎一成不變。這層面層由最初的不規(guī)則石塊，發(fā)展成為毛石亂砌法。在羅馬，因為有更軟、更易于加工的凝灰?guī)r，這種亂砌法變得漸有章法，出現(xiàn)了向規(guī)則化成層砌筑發(fā)展的趨勢，并且漫漫地發(fā)展成方石網(wǎng)眼砌法，即用地面10cm×10cm左右的整齊的方錐石塊排滿表面，尖角朝里，底面形成規(guī)則的斜方格。其最早實例見于公元前55年的龐貝劇場（圖2.12）。這種網(wǎng)狀團可以結合凝灰?guī)r小方塊或者磚形成混合砌體。這些面層的處理式樣在今意大利中部地區(qū)得到了廣泛的應用。在羅馬的大角斗場中，古羅馬人用凝灰?guī)r料石構成了角斗場的承重體系，在外部又包砌了一層石灰華。
（1）梁柱結構
最早的石梁柱體系出現(xiàn)在古埃及，是從木質梁柱發(fā)展而來的。古埃及的石質梁柱往往跨度不大且顯得十分粗壯。底比斯的盧克索神廟的柱廳內巨大的空間由許多石頭過梁來覆蓋，整個廳中石柱如林，高大粗壯的柱子處處遮斷人的視線，使得粗壯的石質梁柱在滿足神廟空間功能需求的同時，又滿足了神廟對于神秘、壓抑氣氛的需求。（圖2.3）
希臘時期石柱梁體系達到了成熟。石材先用來做柱子，起初是整塊石頭的，后來分成許多段砌筑，每段的中心有一個梢子。在檐部，先把石材用于充填部位，后來才用于額仿，這在技術上非常困難。到公元前7世紀末，有些廟宇，除了屋架之外，己經(jīng)全用石材建造了。屋面一直被用木材建造，甚至在石砌的廟宇上也是如此。雅典衛(wèi)城上許多廟宇的遺址之所以都沒有留下屋項，恰恰說明了這一點。（圖2.4）
由于石材屬于脆性的材料，有抗拉、抗剪強度低、自重大等弱點，其在水平方向的發(fā)展受到一定的限制。在古埃及、古希臘的仿木構石梁柱結構明確的反映出這一特征。公元7至4世紀期間，橫跨在兩柱間的木梁改為額仿式的石梁，其最大的跨度僅為6m左右，超過這一跨度就必須在跨度之間增加柱子。
石梁柱結構的高厚比一般比較大，主要是受到剪力角的限制。古希臘的柱式是建立在力學基礎上的，當建筑的安全性等技術問題總體解決后，古希臘人將注意力轉向柱子的視覺關系，并根據(jù)人體的比例，推導出愛奧尼、多里克、科林斯柱式。雖然它是以石材模仿木梁柱體系，在石結構受力性能上并不合理，但是石質柱式的形式反映了結構因素和裝飾因素的成功結合。柱式體現(xiàn)著嚴謹?shù)臉嬙爝壿?，條理井然，每一種構件的形式完整，適合它的功能。垂直構件作垂直線角或凹槽，而水平構件作水平線角;承重構件樸素無華，而裝飾雕刻集中在填充部分或其他非承重構件上。所以柱式的受力體系在外形上脈絡分明。
古羅馬人繼承了希臘的柱式，根據(jù)新的條件把它加以發(fā)展，柱式到了羅馬時代，多數(shù)己經(jīng)不是結構構件，而退化成僅是一種裝飾。
（2）拱券結構
在古埃及拱券結構并沒有發(fā)展起來，究其原因可能是由于缺少木材來制作模架的緣故。石拱在一些帝王和貴族的金字塔、墓葬中有一些運用,大致有三種類型：疊澀拱、石板拱。（圖2.5~2.6）
真拱，構成真拱的砌體的粘合線不像疊澀拱那樣是平行線，而是放射線。更重要的是組成真拱的砌體不是方形的，而是一段段的圓環(huán)。古埃及人用于砌筑真拱的材料主要是磚砌體，石材的用量較少。
疊澀拱其實就是漸次接近的兩排砌體，在拱的中心位置交匯。從第二至第四王朝的這段時期’內，疊澀拱在古埃及建筑中可以見到。人可以在第四王朝墓葬的墓室的頂部發(fā)現(xiàn)石頭砌成的疊澀拱。在胡夫金字塔的一條墓的頂部也是由石頭的疊澀拱砌筑而成的（長48.71m，高8.5m）
石板拱只用在如金字塔、墓葬等地下結構之中，用于胡夫金字塔的石板拱有7至8m長，重達36噸。在第5至6王朝的金字塔墓室中通常由斜置石板組成的巨大的屋頂結構，壓力沿著石板向墓室周圍的填充砌體或實墻傳導。有時石板在頂部交匯處被設計成復雜的可以互鎖的結構?，F(xiàn)今，石板拱常用于橋梁中。
拱券技術是古羅馬建筑最大的特色與成就。古羅馬人的北鄰伊達利亞人建筑工程水平很高，很早就用石頭砌筑疊澀假券。古羅馬人從伊達利亞人那里繼承了許多工程技術和建筑經(jīng)驗。公元前4世紀，羅馬城的下水道就有了真正的發(fā)券。公元前2世紀，假券被淘汰，在陵墓橋梁城門輸水道等工程上廣泛使用真的拱券，而且技術己經(jīng)相當高超。如公元前，44年建造的向羅馬城輸水的塔拉戈納輸水道，有10km長的一段架在一系列的發(fā)券上，跨度達到24.5m。（圖2.7）
在歐洲的中世紀，哥特式建筑將拱券技術推向了高峰。哥特建筑起源于法國，13至15世紀流行于歐洲，主要見于天主教堂，也影響到了世俗建筑。在西方傳統(tǒng)建筑發(fā)展史上，真正實現(xiàn)了石材的結構和裝飾三種功能的完美結合。（圖2.8）
第一，哥特式建筑使用骨架券作為拱頂?shù)某兄貥嫾止俺闪丝蚣苁降?，其余的填充圍護部分就減薄到25至30cm左右，拱頂重量大為減輕，石材的用料節(jié)省了，側推力也小多了。骨架券使各種形狀的平面都可以用拱頂覆蓋，祭壇外環(huán)廊和小禮拜室拱項的技術困難迎刃而解。
第二，用獨立的飛券在兩側凌空越過側廊上方，在中廳每間十字拱四角的起腳抵住它的側推力，飛券落腳在側廊外側一片片橫向的墻上。從此，側廊的拱頂不必負擔中廳拱項的側推力，可以大大降低高度，擴大中廳的側高窗，而且外墻上也因為卸去了荷載而窗子大開。于是，結構進一步減輕，材料進一步節(jié)省。飛券較早使用在巴黎圣母院，它和骨架券一起使整個教堂的結構近于框架式。
第三，全部使用二圓心的尖券和尖拱，尖券和尖拱的側推力比較小，有利于減輕結構，而且使不同跨度的券和拱可以一樣高。因此，骨架券的十字拱項不致逐間隆起。甚至，十字拱的間也不必是正方形的了。12世紀時，中廳還沿用正方形的間，每間中用骨架券橫一下。到13世紀，中廳的間就同側廊一樣進深，不再橫分。于是，中廳兩側大小支柱交替和大小開間套疊的現(xiàn)象消失了。內部的形象因此整齊、單純、統(tǒng)一。不僅在結構上，而且在裝飾、華蓋、壁盒等等一切地方，一切細部，尖券都代替了半圓券，風格是統(tǒng)一的。
（3）墻體砌筑技術
古埃及人廣泛的把石材用于墻體的砌筑中，其砌法非常的多樣，許多種砌法時至今日仍無多大的改變。（圖2.9）在有的砌法中對作為維護裝飾的面層和作為承重的內砌筑層也已進行了區(qū)分。（圖2.10）
古希臘人把墻體的砌筑視為一種高等的藝術行為。古希臘墻體的砌塊尺度不像古埃及的那么巨大，但是組成部分更加精美，風格的跨度無與倫比的豐富。古希臘人在墻體的砌筑中沒有內外層石料之分，在一層墻體中，石材既起到了結構功能又起到了維護功能。而裝飾的功能則是通過多變的砌筑方式來達到的。
古希臘人在砌石塊時不用灰漿，砌塊安放得相當精準。每層石頭中間做成微凹的形狀，每塊石頭就位時加點細砂以便緊密的結合。這種作法緣自古埃及，有的時候為了防止砌塊的移動，砌塊中會使用水平或垂直的銷子固定來保證安全，銷子全是由金屬制成。由于金屬連接物過于昂貴，只能被用在最高等的建筑物中。其他墻體的安全只能依賴于單個砌塊的重量，除了在少數(shù)的神廟建筑中采用方整的砌塊，一般的砌筑方式都是由不規(guī)則的石塊粗砌在一起，在所有的砌筑風格中最古老的是將砌塊沿曲折的輪廓切割，以毛石亂砌法進行砌筑。這種砌法到了六世紀的時候己經(jīng)被一種多邊形的琢石砌法所代替。在特爾裴神廟保留下來的墻體中，包含有多角石混合曲線石的石工砌法，這顯然是在兩種風格的過渡過程中修建的。在雅典多角石砌法在公元六世紀中葉始到了頂峰。（圖2.11）
在五世紀的晚期出現(xiàn)了另一種砌筑風格，一種在規(guī)則砌筑和多角石砌筑之間的妥協(xié)。砌塊的頂部和底部都是平的，砌層的高度是相同的，但砌塊的側邊總是被斜向切割，這種砌法易于建造而又不顯得粗野，而且斜切的側邊所造成了穩(wěn)定的互鎖感，因此這種風格被頻繁的使用。
多邊形的砌塊因為具有較強的穩(wěn)定性，一直被用于城防工事之中。一種裝飾性的多邊形砌塊風格的復興出現(xiàn)在希臘化時期。其風格與六世紀時的多邊形砌塊風格己經(jīng)大不相同了，出與美化裝飾的目的，建造者故意把砌塊切割成最奇異的圖案。規(guī)整的砌筑有多種的形式，是從神廟建筑的精工石作上發(fā)展出來的，在這些建筑的基礎部分和墻體部分，砌塊的長度尺寸比高度尺寸大得多，砌塊的長度會沿著層的方向變化。在其他一些墻體中，砌塊可以朝里放置而短邊朝外露出來，形成了多變的外表。
古羅馬，在建筑中為了支撐沉重的拱頂和彎頂，抵御側推力，墻垣很厚，甚至有厚達幾米的。混凝土的墻起初是內外兩面先各砌一道石墻，把混凝土澆筑在當中。后來，為了節(jié)約石材，混凝土用模板澆筑，在混凝土之外總會包砌面層。起初，面層的材料與墻芯骨料用料相同，幾乎一成不變。這層面層由最初的不規(guī)則石塊，發(fā)展成為毛石亂砌法。在羅馬，因為有更軟、更易于加工的凝灰?guī)r，這種亂砌法變得漸有章法，出現(xiàn)了向規(guī)則化成層砌筑發(fā)展的趨勢，并且漫漫地發(fā)展成方石網(wǎng)眼砌法，即用地面10cm×10cm左右的整齊的方錐石塊排滿表面，尖角朝里，底面形成規(guī)則的斜方格。其最早實例見于公元前55年的龐貝劇場（圖2.12）。這種網(wǎng)狀團可以結合凝灰?guī)r小方塊或者磚形成混合砌體。這些面層的處理式樣在今意大利中部地區(qū)得到了廣泛的應用。在羅馬的大角斗場中，古羅馬人用凝灰?guī)r料石構成了角斗場的承重體系，在外部又包砌了一層石灰華。
