近日，在印度新德里召開的聯合國教科文組織第46屆世界遺產大會上，“北京中軸線——中國理想都城秩序的傑作”被正式列入《世界遺產名錄》。
北京中軸線南起永定門、北至鐘鼓樓，包括天安門、故宮、景山、萬寧橋等遺產建築，縱貫北京老城南北，全長7.8公里。
北京中軸線建築不僅佈局合理、造型優美、文化濃厚，還蘊含著科學之美。下面，就讓我們一起走近北京中軸線，體悟其中建築的科學之美。
圖片居中，圖注12號字灰色（rgb(180, 180, 180)
天圓地方
√2的數學之美
√2為無理數，其代數解的近似值為1.414。從幾何角度講，√2可反映圓形和其外切四邊形的關係。
故宮古建築的立面造型多與√2相關。如太和殿建築高度為26.1米，而其屋頂部分的高度為18.54米，二者之比為26.10∶18.54=1.41≈√2。
從比例構圖來看，太和殿的建築立面在長度方向的尺寸比例分佈由3部分組成。若以太和殿屋頂高度為直徑，在左右屋簷兩部分分別繪製圓形，√2正是圓外切四邊形的長邊與短邊之比。不僅如此，太和殿中間部分也可看作以建築高度為直徑的圓外切正方形。以√2為媒介，方與圓被巧妙地融合在建築立面中，形成太和殿的建築之美。
√太和殿立面√2的運用（供圖 / 周乾）
√2既非兩個正方形拼合後的長寬比，也非一個孤立正方形的長寬比，可產生令人感到舒適的視覺效果，突出了太和殿屋頂的高大莊重。
√2是故宮古建築的數字“密碼”。這與我國古人“天圓地方”的宇宙觀密切相關。在中國現存的最早的數學和天文學著作《周髀算經》中載有“方屬地，圓屬天，天圓地方”，意為方的數理用於觀測地，圓的數理用於觀測天，即天圓地方。
包括故宮古建築在內的古代都城、宮殿建築的規劃設計都是基於該理念開展的。天圓地方模型的美妙之處在於，當圓的直徑與其內、外邊長取簡單整數時，近似的有“面積=周長”，實現了“形”與“數”的統一、數學與美學的融合。
√2與圓形和四邊形的關係（供圖 / 周乾）
抗震能手
榫卯節點的物理之美
所謂榫卯（sǔn mǎo），即兩個相互連線的構件，其中一個構件端部伸出一節，稱為榫頭；另一個構件頂部預留一個口子，稱為卯口。榫頭插入卯口中，就構成了榫卯節點，又稱榫卯連線。
北京中軸線古建築樑柱連線所用榫卯節點，型別豐富，以燕尾榫最為典型。燕尾榫的構造特徵為：額枋（古代建築中柱子上端聯絡與承重的水平構件）端部的榫頭被加工成燕尾式，而位於柱頂的卯口相應做成了同樣形狀、尺寸的凹口形式。
從形狀來看，燕尾榫頭非矩形，其特點是根部（榫頭後部）窄、端部（榫頭前部）寬。這種形式使得榫頭與卯口僅能由上往下安裝，安裝後連線可靠、不易水平向拔榫，有利於木構架的穩定，亦體現了古代工匠的智慧。
燕尾榫安裝示意圖（供圖 / 周乾）
透過榫頭與卯口的協調作用，實現了榫卯節點優秀的抗震效能。
地震前，榫卯節點處於靜止狀態。地震時，柱腳抬升會使柱身產生傾斜，與額枋產生相對變形，榫頭與卯口之間產生相對擠緊運動，並隨著柱腳抬升幅度增大而明顯；柱腳復位時，榫頭與卯口之間產生相對拔出運動，並逐漸恢復到初始位置附近，且榫頭與卯口始終保持連線狀態。隨著柱架的搖擺，柱頂榫頭和卯口不斷進行擠緊—拔出的協調運動，且由於榫卯節點數量較多，也會消耗較多能量，有利於減小地震給結構帶來的危害。地震後，隨著柱腳復位，榫卯節點亦基本恢復原狀，構架仍保持穩定狀態。
榫卯節點運動狀態示意圖（供圖 / 周乾）
保暖防害
中草藥的妙用
裱糊指在室內牆體、門窗、天花板等位置的木基層表面，用糨糊粘糊紙張、絹布等防護材料，既保暖防塵，又能起到華麗的裝飾效果，為北京中軸線建築裝飾的做法之一。但由於木板、紙、布中均含有豐富的纖維素、半纖維素和木質素，糨糊所含麵粉中還有多種營養素，均為蛀蟲的食物來源，因而裱糊木基層及面層均容易遭受蟲蛀。
據記載，故宮養心殿東暖閣、吉雲樓的室內頂棚、牆板曾出現蛀眼，內務府大臣帶領工匠在現場勘察後，決定對蟲蛀位置先抹油灰，再重新糊高麗紙（我國造紙術傳至朝鮮以後，朝鮮人利用本國原料製成的書畫用紙），並用白礬、番木鱉（biē）、黃柏、秦艽（jiāo）等中草藥等防治蟲害。
這幾種中草藥用於裱糊工程的蟲害治理，其機理或為中藥本身所含的化學成分殺蟲，或為不同中草藥成分相互作用殺蟲。而中草藥殺蟲的化學原理，則包括麻痺蟲體、興奮蟲體、殺死蟲體、抑制蟲體細胞代謝等多種方式。
故宮內廷區域某建築的室內裱糊（供圖 / 周乾）
北京中軸線不僅是北京的城市脊樑，更是中國傳統文化與科學精神的完美結晶。從故宮的嚴謹佈局到天安門的雄偉氣勢，從鼓樓的精準計時到鐘樓的悠揚鐘聲，當我們沿著這條無形卻有力的線緩緩前行，每一次駐足都能感受到那份震撼人心的力量。這裡的每一磚每一瓦都蘊藏著深邃的科學智慧與美學，如同一部跨越千年的編年史，訴說著人類文明的進步與輝煌。
撰文 | 周乾
責任編輯 | 王佳璇 張麗涵
運營編輯 | 張麗涵
質量稽核 | 業蕾
❖ 來源：《知識就是力量》雜誌
《時空交織 步履千年 北京中軸線建築的科學之美》❖
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