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中國古代建筑如何抗震 木結構建筑“以柔克剛”

時間:2019-04-29 10:04 訪問量:來源:平頂山市房屋安全應急救援中心(平頂山市房屋安全鑒定中心)

  在各種自然災害中,地震災害可謂“群害之首”。我國是一個多地震的國家,是世界上地震活動水平最高、地震災害最嚴重的國家之一,華北、西北、東南、西南地區均為強地震分布帶。然而,我國許多古代建筑都成功地經受過大地震的考驗,如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應縣木塔等建筑,千百年來均經歷過多次地震仍然傲然屹立。古建筑為何能抗震?它們又是怎么抗震的?

  ———抗震的古建筑———

  天津薊縣獨樂寺:經歷28次地震不倒

  在保存至今的眾多古代木結構建筑中,天津薊縣的獨樂寺和山西應縣木塔在抗震方面的表現尤其突出。獨樂寺位于天津薊縣盤山腳下,始建于唐代,寺內的觀音閣和山門重建于遼代。自重建以后千余年來,獨樂寺曾經歷了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)三河、平谷發生8級以上強震,“薊縣城官廨民舍無一幸存,觀音閣獨不圮。”1976年唐山大地震,薊縣城內房屋倒塌不少,觀音閣及山門的木柱略有搖擺,觀音像胸部的鐵條被拉斷,但整個大木構架安然無恙。

  獨樂寺觀音閣之所以在多次強震中屹立不倒,主要是斗拱起了作用,觀音閣的斗拱設計十分巧妙,在沒有一顆釘子固定的情況下,通過七層木塊的相互交織,達到了相互連接固定的作用,這樣在地震出現時能及時減緩外部的壓力,具有很強的抗震性能。

  山西應縣木塔:“明五暗四”剛柔結合

  應縣木塔位于山西省應縣城西北佛宮寺內,建于遼清寧二年(1056年),應縣木塔處于大同盆地地震帶,建成近千年來,經歷過多次大地震的考驗。據史書記載,在木塔建成200多年之時,當地曾發生過6.5級大地震,余震連續7天,木塔附近的房屋全部倒塌,只有木塔巋然不動。上世紀初軍閥混戰的時候,木塔曾被200多發炮彈擊中,除打斷了兩根柱子外,別無損傷。

  應縣木塔之所以有如此強的抗震能力,其奧妙也在于獨特的木結構設計。木塔除了石頭基礎外,全部用松木和榆木建造,而且構架中所有的關節點都是榫卯結合,具有一定的柔性;木塔從外表看是五層六檐,但每層都設有一暗層,明五暗四,實際是九層,明層通過柱、斗拱、梁枋的連接形成一個柔性層,各暗層則在內柱之間和內外角柱之間加設多種斜撐梁,加強了塔的結構剛度。這樣一剛一柔,能有效抵御地震和炮彈的破壞力。

  ———古建筑為啥能抗震———

  以柔克剛:木材富韌性力學性能好

  有人說,西方建筑史是“石頭的歷史”,中國建筑史是“木頭的歷史”,西方磚石結構是剛性結構建筑體系,中國土木結構是柔性結構建筑體系,西方人以剛性的磚石結構抵抗自然災害,中國人以柔性的土木結構防御了地震的破壞,前者是“以剛克剛”,后者是“以柔克剛”。

  作為建筑材料,木材與泥土具有富于韌性、加工靈活、組合方便的優點。在防震方面,主要依靠木結構。學者程建軍認為,木材是一種質輕、力學性能好的建筑材料,它具有一定的柔性,在外力的作用下比較容易變形,但在一定程度內又有恢復變形的能力。木構架中的所有節點又普遍使用榫卯結合,也具有一定的變形能力,再加上傳統木構架都是采用均衡對稱的柱網平面和梁架布置,使其形成一個具有一定柔性的整體框架結構體系,當地震襲來時,建筑便通過自身的變形消化地震力對結構的破壞能量,從而在一定限度內保障了建筑的安全性。

  中國的傳統木結構,具有框架結構的種種優越性,如“墻倒屋不塌”的功效,但其柔性的連接,又使得它具有相當的彈性和一定程度的自我恢復能力。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,但主體結構仍未倒塌,就是這種柔性框架結構抗震能力的表現。

  ———古建筑咋抗震———

  絕招一:古建筑的臺基堪稱整體浮筏式基礎

  我國古代很少建造平面復雜的建筑,主要采用長寬比小于2∶1的矩形。規則的平面形態和結構布局有利于抗震。傳統建筑往往是中間的一間(當心間)最大,兩側的次間、梢間等依次縮小面寬,這樣的設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代結構語言描述,堪稱“整體浮筏式基礎”,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被剪切破壞,減少地震波對上部建筑的沖擊。中國傳統建筑的梁架一般采用抬梁式構造,在構架的垂直方向上,形成下大上小的結構形狀,實踐證明這種構造方式具有較好的抗震性能。優雅的大屋頂是中國古代傳統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的貢獻。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂等)需要復雜結構和大量構件,大大增加了屋頂乃至整個構架的整體性;龐大的屋頂以其自重壓在柱網上,也提高了構架的穩定性。

  絕招二:斗拱是古建筑抗震中的又一位重要“戰士”

  斗拱是中國古代建筑抗震的又一位重要“戰士”,在地震時它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。它是由若干斗形的木塊和弓形的短枋木相互交接組合而成的構件,用在柱頭頂或額枋之上,起著承托梁架和出挑屋檐的作用。當地震發生時,屋頂與柱之間的若干組內外檐斗拱像彈簧層一樣起著變形消能的作用,從而大大減少了建筑物的破壞程度。歷史上,很多帶斗拱的建筑都能抵御強烈地震,比如山西大同的華嚴寺,在沒有斗拱的低等級附屬建筑被破壞殆盡的情況下,帶斗拱的主要殿堂仍能幸存,充分說明了斗拱對抗震的貢獻。斗拱但能起到“減震器”的作用,而且被各種水平構件連接起來的斗拱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,大大提高了整個結構的安全性。

  絕招三:榫卯是抗擊地震的關鍵

  除了這些較顯著的手法外,中國古代傳統建筑中還使用了大量的其他技術措施,這些措施是古建筑抗震的關鍵。比如榫卯的使用,榫卯是極為精巧的發明,我們祖先早在7000年前就開始使用,這種不用釘子的構件連接方式,使得中國傳統的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體,不但可以承受較大的荷載,而且允許產生一定的變形,在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量,減小結構的地震響應。

  還有如柱子的生起、側腳等技法降低了建筑的重心,并使整體結構重心向內傾斜,增強了結構的穩定性;柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結構構件連接,使柱架層形成一個閉合的構架系統,用現代術語來說,就是形成上、下圈梁,有效地制止了柱頭、柱腳的移動,增強了建筑構架的整體性。梁架系統通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構件強化了聯系,顯著增強了結構的整體性;柱子與柱礎的結合方式能顯著地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦,進而有效地產生隔震作用;在高大的樓閣中,如獨樂寺觀音閣、應縣木塔等,都在暗層中設有斜撐,大大強化了構架對水平沖擊波反復作用的抵抗能力;在外檐柱間設置較厚的墻體,起到現代建筑中“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,小到構件斷面的尺寸設計,處處都展示出古代工匠們在抗震設計方面的知識和匠心。

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