解密中國古代建筑的抗震智慧

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以柔克剛的思想，是中華民族的傳統(tǒng)智慧。舉世聞名的太極拳

　　就是這種思想的直接產(chǎn)物

　　而中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑抗震防震的方法

　　堪稱“建筑版太極拳”

　　與西方磚石結(jié)構(gòu)建筑的“以剛克剛”不同，中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑在抵抗地震沖擊力時，采用的是“以柔克剛”的思維，通過種種巧妙的措施，其目標是以最小的代價，將強大的自然破壞力消彌至最小程度。我國許多古代建筑都成功地經(jīng)受過大地震的考驗，如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應(yīng)縣木塔等建筑，千百年來均經(jīng)歷過多次地震仍然傲然屹立。當代建筑設(shè)計以抵御9度地震為目標，而我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑基本上能達到這個要求，而且其代價遠遠小于西方的“剛”，不能不讓人嘆服“柔”的力量。

　　柔性的框架結(jié)構(gòu)：墻倒屋不塌

　　中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機材料作為結(jié)構(gòu)主材，而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、持續(xù)時間最長、技術(shù)成熟度最高的結(jié)構(gòu)體系—柔性的框架體系。我國木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，若僅從浙江余姚河姆渡遺址算起，迄今至少已有近7000年的歷史。作為對比，西方數(shù)千年中一直采用承重墻體系，直到工業(yè)革命以來、近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展之后，才意識到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，遂開始大規(guī)模地普及，更值得玩味的是，這種框架體系仍然是“以剛克剛”。而中國的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性，如“墻倒屋不塌”的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴?fù)能力。這次汶川大地震中，許多文物建筑的墻體均不同程度地受損，但主體結(jié)構(gòu)仍未倒塌，就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力的表現(xiàn)。

　　整體浮筏式基礎(chǔ)、斗栱、榫卯：抗擊地震的關(guān)鍵

　　我國古代很少建造平面復(fù)雜的建筑，主要采用長寬比小于2:1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當心間)最大，兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設(shè)計非常有利于抵抗地震的扭矩。

　　中國古代建筑一般由臺基、梁架、屋頂構(gòu)成，高等級的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個斗栱層。中國古代建筑的臺基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語言描述，堪稱“整體浮筏式基礎(chǔ)”，好比是一艘大船載著建筑漂浮在地震形成的“驚濤駭浪”中，能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞，減少地震波對上部建筑的沖擊。中國傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造，在構(gòu)架的垂直方向上，形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀，實踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國古代傳統(tǒng)建筑最突出的形象特征之一，而且對提高建筑的抗震能力也做出過相當?shù)呢暙I。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)?需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大量構(gòu)件，大大增加了屋頂乃至整個構(gòu)架的整體性；龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)上，也提高了構(gòu)架的穩(wěn)定性。

　　斗栱是中國古代建筑抗震的又一位重要戰(zhàn)士，在地震時它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。歷史上，很多帶斗栱的建筑都能抵御強烈地震，比如山西大同的華嚴寺，在沒有斗栱的低等級附屬建筑被破壞殆盡的情況下，帶斗栱的主要殿堂仍能幸存，充分說明了斗栱對抗震的貢獻。斗栱但能起到“減震器”的作用，而且被各種水平構(gòu)件連接起來的斗栱群能夠形成一個整體性很強的“剛盤”，按照“能者多勞”的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子，大大提高了整個結(jié)構(gòu)的安全性。

　　除了這些較顯著的手法外，中國古代傳統(tǒng)建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施，這些措施是古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用：榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前就開始使用，這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，使得中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。又比如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動，增強了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強化了聯(lián)系，顯著增強了結(jié)構(gòu)的整體性；柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)頂面之間的摩擦，進而有效地產(chǎn)生隔震作用；在高大的樓閣中，如獨樂寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等，都在暗層中設(shè)有斜撐，大大強化了構(gòu)架對水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力；在外檐柱間設(shè)置較厚的墻體，起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類，舉不勝舉，大到建筑群體的布局處理，小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計，處處都展示出古代工匠們在抗震設(shè)計方面的知識和匠心。

　　應(yīng)縣木塔：

　　中國古代建筑抗震能力的杰出代表

　　山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔(應(yīng)縣木塔)是中國古代傳統(tǒng)建筑杰出抗震能力的集中代表。這座木塔是當今世界現(xiàn)存最高的木結(jié)構(gòu)建筑，竣工于1056年，處于大同盆地地震帶上。木塔建成200多年即遭受大震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔巋然不動；在此后的近千年中，木塔經(jīng)歷了多次大地震的考驗而安然無恙。在戰(zhàn)亂之際，木塔還承受過200余發(fā)炮彈的轟擊，亦無大損。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述諸多抗震技法的綜合和提高：木塔平面是規(guī)則的正八角形，利于抵抗地震波產(chǎn)生的扭曲力；木塔高達4.4米的磚石基座堅實、穩(wěn)定，形成一個“浮筏”，承載著全塔的重量(約1300噸)；木塔內(nèi)梁與柱的連接完全通過斗栱完成，各種構(gòu)件則通過榫卯連接，全塔的主要構(gòu)件不用一釘一鉚，這種連接形式類似于半固結(jié)半活鉸的狀態(tài)，能承受較大的彎矩；構(gòu)架水平分層，在地震波中的垂直沖擊波攻擊下，可以通過“彈跳”的方式消解巨大的破壞能量；構(gòu)架的整體性有力地抵抗旋轉(zhuǎn)波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結(jié)成一個筒形的框架，保證了構(gòu)架的穩(wěn)定性；柱子之間砌筑有厚實的墻體，牢牢地“抱”住各柱子，增加了構(gòu)架的整體性，而且這些墻體能作為剪力墻發(fā)揮作用；立柱側(cè)腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強了塔的穩(wěn)定性，這樣既使塔身形成美麗的曲線，又能把水平的地震沖擊力分解成垂直方向的壓力；周邊有一圈柱廊，各圈柱廊被水平構(gòu)件連接成一個剛中帶柔的整體；為了加固結(jié)構(gòu)框架，在八邊形木塔的四個斜向應(yīng)面上，自上而下采用了剪刀撐做法。

　　整座木塔表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)、技術(shù)與藝術(shù)形象的高度和諧，表里如一，這是中國古代木結(jié)構(gòu)建筑，也是我們中華民族的“傳統(tǒng)美德”之一。在近千年前我們的祖先就能建造出如此莊嚴美麗而堅固耐久的建筑，充分顯示出當時的匠人對數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)的研究已經(jīng)相當深入，而且對地震的破壞機理已有了相當?shù)牧私猓拐鸾?jīng)驗已積累到了很高的水平，既令人驚奇，也令人自豪。