举屋制度是中国传统建筑确定屋顶曲面曲度的方法。这种建筑在梁架层叠加高时，用举架方法使屋顶的坡度越往上越陡，从而呈凹曲面，以利于屋面排水和檐下采光，这样形成中国古代建筑独有的风貌。这种方法在清工部《工程做法》中称为举架，在宋《营造法式》中名为举折，在记述江南建筑做法的《营造法源》中谓之提栈。举架、举折、提栈的作用和目的相同，只是由于时代或地区的不同，具体做法略有差异。同任何一个科学理论一样，举屋制度这一营造方法也是在千百年来古代建筑的营造实践中产生、发展和完善的，屋面曲线形态是举屋制度这一古建筑营造方法赖已产生的基础。在我国“四川牧马山东汉墓出土的陶制建筑，上下两段屋面的坡度不同，脊部坡度大，檐部坡度小，檐部上反”。说明了这种举屋制度在东汉时期已经在民间广泛使用。可是作为一个较为完善的古建筑营造制度，从现代历史资料来看，它最早出现在北宋（1100）李诫编修的《营造法式。看样》一书，在《法式》看详中记述有：“今来举屋制，以前后橑檐方心相去远近，分为四分，白橑檐方背上至脊博背上，四分中举起一分。虽殿阁与厅

堂及廊屋之类，略有增加，大抵皆以四分举一为祖，正与经传相合。”后人称为“四分举一制度”，如图1所示。而在随后的举屋之法中又说道：“如殿阁楼台，先量前后橑檐方心相去远近，分为三分，若余屋柱头作或不出跳着，则用前后檐柱心，从橑檐方背至脊博背举起一分，如屋深三丈即举起一仗”，后人称为“三分举一制度”，如图2所示。但是，“从两个不同举高的举屋制度的标志图形和数据中我们发现，两个屋面的总坡度角相差很大，分别为26。35′和33。42′。与之相应的两者各辕架的坡度角亦相差很大。可是两个屋面曲线的曲度几乎完全相同，两者就如同一根定行的曲线，曲线的陡缓随举高的高矮发生变化。由此，关于举高与屋面坡曲度的关系我们得出这样一个结论，在举屋制度的举折法中，举高的高矮与屋面的曲度无关，而与屋面的坡度和各辕架的坡度成正比，举高高则坡度陡，坡度角大，举高矮则坡度矮，坡度角小，这论证了《营造法式》中”举中峻慢“即举高决定屋面峻慢之说是准确而科学的。”通过观察可以发现，这种曲线和摆线很相似，按照这种举屋制度所形成的屋顶曲面所具有的功能在《考工记》中的记述为：“上欲尊而宇欲卑，上尊而宇卑，则吐水疾而溜远。”。但是，为什么会“吐水疾而溜远”呢？实际上这种举屋制度包含有很深刻的科学道理。下面笔者分别给予详细叙述。

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1“吐水疾”的物理学原理

意大利科学家伽利略在1630年提出一个分析学的基本问题：“一个支点在重力作用下，从一个给定点到不在它下方的另一点，如果不计摩擦力，问沿什么样的路线滑下所需时间最短”，（如图3所示）这就是数学史上著名的最速降线问题的起源。显然，很多人一开始就会认为连接两点的直线距离最短，所以应该是沿直线下滑最快，1696年6月瑞士数学家约翰·伯奴利在《教师学报》（Acta Eruditorum）上对此提出了自己的看法“不要草率的做出判断，虽然直线AB的确是连接A、B两点的最短路线，但通过实验证明，它却不是所用时间最短的路线。”早在1638年，伽利略在《论两种新科学》一书中认为此线是弧线，尽管这个说法很快就被否定掉了，但他却为问题的解决指明了方向。1697年，牛顿、伯奴利、莱布尼辞等人同时从不同的角度证明了，这条最速降线是旋轮线，。这是在16世纪的数学界的一件大事。图4是旋轮线，它和摆线一样，该曲线是由半径为a的圆周上的一点在这个圆沿x轴滚动时，所走过的轨迹。半径a越大，旋轮线就越陡，但是它们的曲度都是相同的，这和我国古代的举屋制度中“举高的高矮与屋面的曲度无关”，经过实地考证和相关图纸对照研究，凡是严格按照举屋制度建造的屋面曲度几乎相同且与“旋轮线”相近，这说明我国古代先民早在东汉早期就已经将这一科学原理应用到实际生活中了，这也解释了《考工记》中为何“上尊而宇卑，则吐水疾”的问题。

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2“吐水—溜远”的物理学原理

根据物理中的能量守恒原理，在两个起点高度以及终点高度都相同的两条斜滑轨道，一条是直线，[TP5CW120。TIF，Y#]一条是曲线，如果摩擦力不计，将两个小球同时从同一起点向下自由滑落，离开轨道的速度是相同的，再依据抛体运动的相关知识可以知道，沿直线斜滑轨道下滑的小球离开轨道时是作斜下抛运动，而沿曲线斜滑轨道下滑的小球离开轨道时是作近似于平抛运动（图5）。

因为抛出点的高度相同，根据公式

h=[SX（]1[]2[SX）]gt2

可知他们下落的时间t相同。

又因为在水平方向上的分运动是匀速运动，斜下抛的小球在水平方向的分速度是

ux=ucosa，

s2=uxt=tucosa，

s1=ut，

因为ucosa

所以s2

通过以上计算可以知道，小球抛出的方向与水平方向的夹角越小，则抛出的水平距离就越远，这就是为什么“溜远”的科学道理。

通过以上对中国古代举屋制度的科学解释不难理解，中国“斜坡屋面”的这种设计能够使雨水以最快的速度排泄干净，从而防止了雨水的渗漏，这也是北京故宫太和殿的大屋顶建设简单到“只有两道工序——在望板上铺一层薄桐油灰，上面再铺2～4厘米厚的灰背，再上面是纯白灰瓦瓦”的原因。（而传[HJ1。63mm]统工艺“在望板上要铺上传统的灰背材料以及麻刀、桐油等，工序至少7、8道，以达到完全防水的效果。按照太和殿的等级，屋顶施工还会铺上一层铅质的苫背”）正是由于大屋顶的这种设计“既减轻了屋顶重量又不影响功能，虽然太和殿历经几百年未曾大修，屋顶仍然保持完好并没有出现漏雨现象。”我国的建筑文化源远流长，其中一定蕴含着许多科学道理等待我们去探索和挖掘，这也提醒我们，在欣赏我国古代建筑的时候不能只从文化和艺术的角度去理解，还要多以科学的视野、从技术的角度去探索，因为科学促进技术的发展，技术推动科学进步，技术“具有高度的综合性，”任何合理的技术产品的背后都有一定的科学道理，它产生的初期都是为了实现某一项功能而存在的，在功能实现的基础上，人们对其进行艺术加工并随着时代的变迁，人们可能会赋予它更多的文化内涵。

【 江苏省教育科学“十二五”规划重点课题“通用技术教师课程理解能力的培养与发展研究”（课题号DHA070157）】