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揭密中国古建筑如何抗震:木结构建筑"以柔克刚"
2008-06-25 13:15:40   来源:科技日报   

在各种自然灾害中,地震灾害可谓“群害之首”。 我国是一个多地震的国家,是世界上地震活动水平最高、地震灾害最严重的国家之一,华北、西北、东南、西南地区均为强地震分布带。然而,我国许多古代建筑都 ...

在各种自然灾害中,地震灾害可谓“群害之首”。 

      我国是一个多地震的国家,是世界上地震活动水平最高、地震灾害最严重的国家之一,华北、西北、东南、西南地区均为强地震分布带。然而,我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验,如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县木塔等建筑,千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立。古建筑为何能抗震?它们又是怎么抗震的? 

      ———抗震的古建筑——— 

      天津蓟县独乐寺:经历28次地震不倒 

      在保存至今的众多古代木结构建筑中,天津蓟县的独乐寺和山西应县木塔在抗震方面的表现尤其突出。独乐寺位于天津蓟县盘山脚下,始建于唐代,寺内的观音阁和山门重建于辽代。自重建以后千余年来,独乐寺曾经历了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)三河、平谷发生8级以上强震,“蓟县城官廨民舍无一幸存,观音阁独不圮。”1976年唐山大地震,蓟县城内房屋倒塌不少,观音阁及山门的木柱略有摇摆,观音像胸部的铁条被拉断,但整个大木构架安然无恙。 

      独乐寺观音阁之所以在多次强震中屹立不倒,主要是斗拱起了作用,观音阁的斗拱设计十分巧妙,在没有一颗钉子固定的情况下,通过七层木块的相互交织,达到了相互连接固定的作用,这样在地震出现时能及时减缓外部的压力,具有很强的抗震性能。 

      山西应县木塔:“明五暗四”刚柔结合 

      应县木塔位于山西省应县城西北佛宫寺内,建于辽清宁二年(1056年),应县木塔处于大同盆地地震带,建成近千年来,经历过多次大地震的考验。据史书记载,在木塔建成200多年之时,当地曾发生过6.5级大地震,余震连续7天,木塔附近的房屋全部倒塌,只有木塔岿然不动。上世纪初军阀混战的时候,木塔曾被200多发炮弹击中,除打断了两根柱子外,别无损伤。 

      应县木塔之所以有如此强的抗震能力,其奥妙也在于独特的木结构设计。木塔除了石头基础外,全部用松木和榆木建造,而且构架中所有的关节点都是榫卯结合,具有一定的柔性;木塔从外表看是五层六檐,但每层都设有一暗层,明五暗四,实际是九层,明层通过柱、斗拱、梁枋的连接形成一个柔性层,各暗层则在内柱之间和内外角柱之间加设多种斜撑梁,加强了塔的结构刚度。这样一刚一柔,能有效抵御地震和炮弹的破坏力。 

———古建筑为啥能抗震——— 

      以柔克刚:木材富韧性力学性能好 

      有人说,西方建筑史是“石头的历史”,中国建筑史是“木头的历史”,西方砖石结构是刚性结构建筑体系,中国土木结构是柔性结构建筑体系,西方人以刚性的砖石结构抵抗自然灾害,中国人以柔性的土木结构防御了地震的破坏,前者是“以刚克刚”,后者是“以柔克刚”。 

      作为建筑材料,木材与泥土具有富于韧性、加工灵活、组合方便的优点。在防震方面,主要依靠木结构。学者程建军认为,木材是一种质轻、力学性能好的建筑材料,它具有一定的柔性,在外力的作用下比较容易变形,但在一定程度内又有恢复变形的能力。木构架中的所有节点又普遍使用榫卯结合,也具有一定的变形能力,再加上传统木构架都是采用均衡对称的柱网平面和梁架布置,使其形成一个具有一定柔性的整体框架结构体系,当地震袭来时,建筑便通过自身的变形消化地震力对结构的破坏能量,从而在一定限度内保障了建筑的安全性。 

      中国的传统木结构,具有框架结构的种种优越性,如“墙倒屋不塌”的功效,但其柔性的连接,又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。这次汶川大地震中,许多文物建筑的墙体均不同程度地受损,但主体结构仍未倒塌,就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。 

———古建筑咋抗震——— 

      绝招一:古建筑的台基堪称整体浮筏式基础 

      我国古代很少建造平面复杂的建筑,主要采用长宽比小于2∶1的矩形。规则的平面形态和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间的一间(当心间)最大,两侧的次间、梢间等依次缩小面宽,这样的设计非常有利于抵抗地震的扭矩。 

      中国古代建筑一般由台基、梁架、屋顶构成,高等级的建筑在屋顶和梁柱之间还有一个斗栱层。中国古代建筑的台基用现代结构语言描述,堪称“整体浮筏式基础”,好比是一艘大船载着建筑漂浮在地震形成的“惊涛骇浪”中,能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏,减少地震波对上部建筑的冲击。中国传统建筑的梁架一般采用抬梁式构造,在构架的垂直方向上,形成下大上小的结构形状,实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。优雅的大屋顶是中国古代传统建筑最突出的形象特征之一,而且对提高建筑的抗震能力也做出过相当的贡献。形成大屋顶(尤其是庑殿顶、歇山顶等)需要复杂结构和大量构件,大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性;庞大的屋顶以其自重压在柱网上,也提高了构架的稳定性。 

      绝招二:斗拱是古建筑抗震中的又一位重要“战士” 

      斗拱是中国古代建筑抗震的又一位重要“战士”,在地震时它像汽车的减震器一样起着变形消能的作用。它是由若干斗形的木块和弓形的短枋木相互交接组合而成的构件,用在柱头顶或额枋之上,起着承托梁架和出挑屋檐的作用。当地震发生时,屋顶与柱之间的若干组内外檐斗拱像弹簧层一样起着变形消能的作用,从而大大减少了建筑物的破坏程度。历史上,很多带斗拱的建筑都能抵御强烈地震,比如山西大同的华严寺,在没有斗拱的低等级附属建筑被破坏殆尽的情况下,带斗拱的主要殿堂仍能幸存,充分说明了斗拱对抗震的贡献。斗拱但能起到“减震器”的作用,而且被各种水平构件连接起来的斗拱群能够形成一个整体性很强的“刚盘”,按照“能者多劳”的原则把地震力传递给有抗震能力的柱子,大大提高了整个结构的安全性。 

      绝招三:榫卯是抗击地震的关键 

      除了这些较显著的手法外,中国古代传统建筑中还使用了大量的其他技术措施,这些措施是古建筑抗震的关键。比如榫卯的使用,榫卯是极为精巧的发明,我们祖先早在7000年前就开始使用,这种不用钉子的构件连接方式,使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体,不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的变形,在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量,减小结构的地震响应。 

      还有如柱子的生起、侧脚等技法降低了建筑的重心,并使整体结构重心向内倾斜,增强了结构的稳定性;柱顶、柱脚分别与阑额、地袱以及其他的结构构件连接,使柱架层形成一个闭合的构架系统,用现代术语来说,就是形成上、下圈梁,有效地制止了柱头、柱脚的移动,增强了建筑构架的整体性。梁架系统通过阑额、由额、柱头枋、蜀柱、攀间、搭牵、梁、檩、椽等诸多构件强化了联系,显著增强了结构的整体性;柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦,进而有效地产生隔震作用;在高大的楼阁中,如独乐寺观音阁、应县木塔等,都在暗层中设有斜撑,大大强化了构架对水平冲击波反复作用的抵抗能力;在外檐柱间设置较厚的墙体,起到现代建筑中“剪力墙”的作用诸如此类,举不胜举,大到建筑群体的布局处理,小到构件断面的尺寸设计,处处都展示出古代工匠们在抗震设计方面的知识和匠心。

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