故宮古建筑如何防震抗震？

土耳其靠近敘利亞邊境地區(qū)最近發(fā)生的地震造成了大量人員傷亡及建筑破壞，位于震中附近的加濟(jì)安泰普城堡，具有近兩千年歷史，在地震中嚴(yán)重受損。反觀自明永樂十八年（1420年）建成至今的600余年里，故宮遭受地震至少222次，鮮有建筑因地震遭受嚴(yán)重破壞的記載。故宮建筑不僅結(jié)構(gòu)形式有利于抗震，而且包含了豐富的防震做法，體現(xiàn)了我國古代工匠卓越的建筑智慧。

(相關(guān)資料圖)

故宮角樓的精美斗拱

砌體結(jié)構(gòu)傳力方式示意圖

木結(jié)構(gòu)傳力方式示意圖

地震作用下木構(gòu)架運(yùn)動(dòng)示意圖 周乾繪

1.木結(jié)構(gòu)可使“墻倒屋不塌”

此次土耳其在地震中受到破壞的文化遺產(chǎn)建筑，結(jié)構(gòu)形式均屬于砌體結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是：以磚石為核心承重材料，即采用磚石墻來承擔(dān)屋頂重量，并將屋頂重量通過墻體傳至地基。盡管磚石本身的硬度、抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于木材，但是由于磚石塊體之間采用砂漿連接，砂漿抗拉、壓、剪強(qiáng)度差，因而抗震性能很差。地震作用多以水平方向?yàn)橹鳎ㄘQ向地震影響一般不大，除非高層大跨度結(jié)構(gòu)，或特殊的場地條件，或高烈度地震作用等），在水平地震作用下，砂漿很容易松散，導(dǎo)致磚石墻體松動(dòng)、開裂，誘發(fā)建筑倒塌。

以故宮建筑為代表的中國古建筑的結(jié)構(gòu)形式以木結(jié)構(gòu)為主。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：木梁、木柱為建筑核心承重材料，斗拱、梁枋支撐上部屋頂傳來的重量，并向下傳給柱；柱再把屋頂重量向下傳至地基；墻體單獨(dú)砌筑，不承擔(dān)屋頂重量，僅起保溫隔熱作用。由于木材具有良好的彈性，且地基、立柱、榫卯、斗拱等構(gòu)造做法，均有利于防震，因而建筑整體具有優(yōu)秀的抗震性能。“墻倒屋不塌”是對故宮古建筑抗震性能較為客觀的評價(jià)。

2.地基密實(shí)糯米“隔震”

故宮古建筑的地基為“一塊玉”做法。這種地基的特征為：原有土層被全部挖去，重新使用人工回填土。人工回填土一層三七灰土（生石灰粉：黃土=3：7，質(zhì)量比）、一層碎磚，由下至上反復(fù)交替。

為什么地基不是全部做灰土分層，而非得要一層灰土、一層碎磚交替使用呢？地基做得均勻平實(shí)，一旦遇到地震作用，可以有效避免建筑物不均勻下沉?；彝敛牧弦话惚容^松軟，其柔性強(qiáng)就意味著硬度低。當(dāng)上部建筑的重量較大、地震力較強(qiáng)時(shí)，盡管建筑均勻下沉，但下沉量會過大。相比而言，碎磚的硬度遠(yuǎn)大于灰土，其大部分屬于燒窯或砌墻用的殘余料。過篩子后碎磚尺寸相近，和灰土層交替使用，做成“一層灰土一層碎磚”的形式，不僅有效使用了建筑材料，而且減小了古建筑的沉降量。

故宮古建筑地基中含有糯米，也有利于建筑防震。日本學(xué)者武田壽一的著作《建筑物隔震、防震與控震》中，有這么一段關(guān)于故宮古建筑地基成分的描述：“1975年開始的三年中，在建造設(shè)備管道工程時(shí)，以紫禁城中心向下約5至6米的地方挖出一種稍黏有氣味的物質(zhì)。研究結(jié)果表明似乎是‘煮過的糯米和石灰的混合物’。”糯米具有很好的黏性，摻入灰土地基中，可使地基具有良好的整體性和柔韌性，類似于硬度較高的均勻面糊團(tuán)。地震發(fā)生時(shí)，地基產(chǎn)生整體均勻變形，可延長建筑的晃動(dòng)周期，錯(cuò)開地震波的峰值，減小地基及上部建筑的破壞。糯米地基抵抗地震的這種方式，我們稱為“隔震”。

3.高大立柱平擺浮擱

故宮古建筑的立柱柱根不是插入地下，而是平放在一塊石頭的頂面。該石頭稱為“柱頂石”，柱底與柱頂石的連接做法稱為平擺浮擱。柱根平擺浮擱于柱頂石的做法，是我國古代工匠智慧的體現(xiàn)。一方面，木材在封閉的環(huán)境中容易糟朽，立柱柱根若插入地底下，那么很可能因?yàn)榭諝獠涣魍ǘ阈?。另一方面，這也是隔離地震的需要。若柱根插入柱頂石內(nèi)，在強(qiáng)大的地震力作用下，柱根很容易折斷并造成古建筑破壞。而平擺浮擱的做法，使得在地震發(fā)生時(shí)，柱根反復(fù)在柱頂石表面運(yùn)動(dòng)，不僅不會折斷，而且可以產(chǎn)生“四兩撥千斤”的隔震效果。柱根橫截面小于柱頂石橫截面，可以保證柱根始終在柱頂石表面往復(fù)滑動(dòng)，而不會從柱頂石上掉下來。

故宮古建筑的立柱還有側(cè)腳做法。所謂“側(cè)腳”，就是檐柱（建筑最外圈的立柱）頂部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。側(cè)腳的尺寸約為立柱高度的1%，側(cè)腳后木構(gòu)架形成“外八字”的造型。這種做法不但使整個(gè)建筑物顯得更加莊重、沉穩(wěn)有力，而且有利于建筑抗震。

在發(fā)生地震時(shí)，立柱與梁之間的榫卯連接，使得彼此之間產(chǎn)生相對晃動(dòng)。未設(shè)側(cè)腳的木構(gòu)架體系，其在水平外力作用下不斷往復(fù)搖擺，構(gòu)架輪廓由“矩形”變成“平行四邊形”。而這種“平行四邊形”的連接體系，在物理學(xué)上可稱為“瞬間失穩(wěn)體系”，極易破壞。而設(shè)置側(cè)腳的木構(gòu)架體系，柱與柱的延長線會相交于一點(diǎn)，形成“虛交點(diǎn)”，使得建筑輪廓猶如一個(gè)三角形。三角形體系屬于穩(wěn)固體系，不易破壞。柱身側(cè)腳做法，可以約束木構(gòu)架的晃動(dòng)，木構(gòu)架盡管產(chǎn)生搖晃，其輪廓始終保持為三角形狀，因而不易破壞。另外側(cè)腳使得柱頂卯口與梁端榫頭擠緊，增強(qiáng)了榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能。這種設(shè)有側(cè)腳的連接體系，在物理學(xué)上稱為“三角形穩(wěn)定體系”。

4.榫卯斗拱耗散地震能量

榫卯節(jié)點(diǎn)、斗拱均為我國古建筑特有的構(gòu)造。榫卯是指榫頭與卯口，榫頭位于梁端，被加工成凸出形狀；卯口位于柱頂，被加工成凹進(jìn)形狀。榫頭插入卯口中，就形成榫卯連接；而榫頭、卯口的統(tǒng)一體，稱為榫卯節(jié)點(diǎn)。故宮古建筑的榫卯節(jié)點(diǎn)有數(shù)十種，其中最常見的一種稱為“燕尾榫”。燕尾榫節(jié)點(diǎn)的特征是：榫頭被加工成燕子尾巴形狀，榫頭尺寸前大后??；對應(yīng)的卯口相應(yīng)做成凹口形狀，尺寸前小后大。燕尾榫的安裝方式由上向下進(jìn)行，榫頭插入卯口后，彼此形成牢固搭扣，因而安裝后的榫頭不容易從卯口中拔出。

從力學(xué)角度來講，榫卯節(jié)點(diǎn)屬于半剛接節(jié)點(diǎn)，其特點(diǎn)是：榫頭與卯口之間，既不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，也不是完全固定，而是產(chǎn)生一種受到約束的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種節(jié)點(diǎn)是非常有利于古建筑抗震的。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，榫卯節(jié)點(diǎn)連接是比較牢固的。而發(fā)生地震時(shí)，地震力促使榫卯節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)并非大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，而是一種受到約束的轉(zhuǎn)動(dòng)。約束力由榫頭與卯口之間的擠壓產(chǎn)生，這種轉(zhuǎn)動(dòng)有利于減小建筑構(gòu)架的晃動(dòng)幅度，且由于榫頭與卯口之間形成有力搭扣，因而榫頭很難從卯口拔出，使得在地震作用下，大木構(gòu)架不易散架。

不僅如此，從能量守恒原理看，榫卯節(jié)點(diǎn)耗散了部分地震能量，有利于減小對大木構(gòu)架的破壞。這是因?yàn)椋旱卣鹉芰總鞯焦沤ㄖ緲?gòu)架上，轉(zhuǎn)化為三個(gè)部分：變形能，該能量使得大木構(gòu)架搖擺；內(nèi)能，該能量使得構(gòu)架產(chǎn)生破壞；動(dòng)能，該能量使得榫卯節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，即榫頭與卯口產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。在地震能量、變形能不變的情況下，榫卯節(jié)點(diǎn)接收的動(dòng)能越大，構(gòu)架接收的內(nèi)能越小，構(gòu)架就越不容易被破壞。因此，榫卯節(jié)點(diǎn)是中國古建筑的重要抗震做法。

斗拱是位于柱頂之上、屋檐之下的組合體，由很多小尺寸的斗形、弓形的木構(gòu)件組成。斗拱的各個(gè)組件在縱橫方向搭扣連接，而后在豎向又層層疊加起來，其外形猶如一把把撐開的傘。

故宮古建筑的斗拱類型很豐富，如位于兩根立柱之間的斗拱稱為“平身科斗拱”，位于柱頂之上的斗拱稱為“柱頭科斗拱”，位于建筑四個(gè)轉(zhuǎn)角部位的斗拱稱為“角科斗拱”等。這些斗拱不僅造型優(yōu)美，而且包含了古人豐富的抗震智慧。無論是水平向還是垂直向的地震波，都不會造成斗拱破壞。發(fā)生水平地震時(shí)，斗拱的各個(gè)構(gòu)件之間互相摩擦、擠壓，并產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，猶如一個(gè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)體系。

從能量守恒角度對斗拱分析：地震波的能量傳到斗拱位置時(shí)，主要分成兩個(gè)部分：斗拱的內(nèi)能及斗拱的動(dòng)能，斗拱內(nèi)能即自身產(chǎn)生開裂破壞的根本原因，內(nèi)能越大，斗拱破壞越嚴(yán)重。斗拱能量的另一個(gè)組成部分即動(dòng)能，占的比例遠(yuǎn)大于自身的內(nèi)能，其原因在于每個(gè)斗拱由上百個(gè)小構(gòu)件組成，它們猶如機(jī)器的零件一樣，在地震作用下不斷產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)，耗散了大量的地震能量，從而使得斗拱內(nèi)能的比例很小，因而斗拱在地震作用下幾乎不會破壞。事實(shí)上，大量的古建震害勘查結(jié)果表明，斗拱在地震作用下一般保存完好。

此外，故宮古建筑的梁架、屋頂、墻體等構(gòu)造，均對建筑有不同的抗震貢獻(xiàn)。有科學(xué)研究表明，以故宮古建筑為代表的我國古建筑，可以抵抗烈度達(dá)11度的地震，而砌體類建筑一般在烈度7度的地震作用下就會開裂、倒塌。中國古建筑的防震智慧，值得我們不斷學(xué)習(xí)，積極傳承。（作者單位：故宮博物院）

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