淺談古建筑中木結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造原理
本文對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)古建筑的木結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)建筑物的體型、選材、結(jié)點(diǎn)等構(gòu)造的分析，探討并闡述了我國(guó)古建筑的抗震原理。
1. 前言
我國(guó)的傳統(tǒng)古建筑多數(shù)以磚瓦和木材作為主要的建筑材料，其中木構(gòu)架結(jié)構(gòu)基本是主要的結(jié)構(gòu)形式。一般采用眾多的木構(gòu)件進(jìn)行組合，形成一定的框架體系，柱網(wǎng)平面間采用均衡對(duì)稱形式，形成格局。結(jié)構(gòu)一般由橫梁、立柱、順檁搭建而成，不同構(gòu)件間的結(jié)點(diǎn)往往通過(guò)榫卯來(lái)吻合，從而構(gòu)成彈性框架。結(jié)構(gòu)體系又可以具體分為穿斗、抬梁和干闌式三類。木結(jié)構(gòu)建筑在防震抗震方面有很大優(yōu)勢(shì)，這種結(jié)構(gòu)與今天的框架結(jié)構(gòu)相類似，借由木材本身的特點(diǎn)及斗栱與榫卯存在伸縮余地等特點(diǎn)，能夠在一定程度上減弱地震造成的危害，“墻倒屋不塌”正是對(duì)這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的形象說(shuō)明。
2. 古建筑木結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造與原理
我國(guó)的古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，在構(gòu)造上主要由基礎(chǔ)、柱子、斗拱、梁架、屋頂?shù)炔糠纸M成，其中，梁與柱采取榫卯節(jié)點(diǎn)形式連接，千百年來(lái)，它們歷經(jīng)了各種地震災(zāi)害而保持完好，體現(xiàn)出良好的抗震性能[1]。著名的義縣奉國(guó)寺大殿，為我國(guó)現(xiàn)存最大的單層佛殿建筑，據(jù)寺內(nèi)元、明、清碑刻記錄，曾“經(jīng)庚寅地震”（1920年武平6.7級(jí)地震）“無(wú)所壞”。1975年海城地震，義縣處于主震斷面線上，奉國(guó)寺山門(mén)、無(wú)梁殿等清代小型建筑多受損害，而大殿基本安然無(wú)恙[2]。海城地震，關(guān)帝廟與三學(xué)寺等一些古建筑只是瓦頂和外墻部門(mén)出現(xiàn)了輕微的損傷，建筑物整體基本完整。1976年，我國(guó)發(fā)生了唐山大地之，其中薊縣烈度為八度，獨(dú)樂(lè)寺中矮小的建筑均發(fā)生了墻倒屋塌的現(xiàn)象，但遼代公元九八四年修建的高達(dá)二十余米的山門(mén)與觀音閣卻完整無(wú)損，這兩座建筑皆為木結(jié)構(gòu)。這些都充分說(shuō)明了我國(guó)木結(jié)構(gòu)式古建筑在抗震方面的性能是十分優(yōu)越的。
2.1 古建筑體型上的抗震特點(diǎn)
建筑物平立面布置需要滿足“規(guī)則、對(duì)稱、剛度與質(zhì)量變化均勻”的特點(diǎn)才能夠很好地實(shí)現(xiàn)抗震效果。剛度和質(zhì)量變化均衡有兩方面涵義，第一是指在結(jié)構(gòu)平面的方向上，傳統(tǒng)建筑的質(zhì)量中心和結(jié)構(gòu)剛度中心相對(duì)一致，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)基本不會(huì)使離剛度中心較遠(yuǎn)的構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重震害，另外，結(jié)構(gòu)立面上，沿結(jié)構(gòu)的高度方向，剛度與結(jié)構(gòu)質(zhì)量不會(huì)發(fā)生懸殊變化，不會(huì)產(chǎn)生薄弱層，所以就不會(huì)造成集中的變形，也就不會(huì)加速結(jié)構(gòu)倒塌。我國(guó)的古建筑在平面布局上具有相對(duì)簡(jiǎn)明、清晰的組織規(guī)律，從整體上看，重要的建筑一般都實(shí)施均衡對(duì)稱式，將庭院作為單元，沿橫軸線與縱軸線涉及，借助建筑群體之間的有機(jī)組合與烘托，不僅能夠使主體建筑看起來(lái)更為壯麗宏偉，也能夠有效地減輕地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這是因?yàn)榻ㄖ镄螤畹囊?guī)則性使得地震發(fā)生時(shí)，建筑物各部分震動(dòng)相對(duì)協(xié)調(diào)一致，不至于出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減弱了地震對(duì)建筑物造成的影響。
2.2 古建筑在選材和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上的抗震特點(diǎn)
木結(jié)構(gòu)構(gòu)架的整體剛性比較好，雖然木材容易在外力作用發(fā)生變形，但由于其本身較強(qiáng)的柔性特點(diǎn)，所以仍然具備了一定的恢復(fù)變形能力，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)抗震來(lái)說(shuō)十分重要。將木榫作為柔性建筑的結(jié)點(diǎn)而成組的斗栱，其橫縱構(gòu)件相連，恰好形成彈性節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，斗栱恰似大彈簧，劇烈顛簸的過(guò)程中可以抵消掉很大部分地震的能量，從而減輕建筑物受損程度。榫卯構(gòu)造技術(shù)是我國(guó)傳統(tǒng)木建筑普遍采用的技術(shù)手段，體現(xiàn)了我國(guó)建筑“以柔克剛，順應(yīng)自然”的思想哲理。這種方式充分利用了木材本身的柔性與彈性，如同動(dòng)物骨骼與關(guān)節(jié)一樣可以進(jìn)行一定的扭轉(zhuǎn)與伸縮，從而增強(qiáng)了建筑物的抗震性能。
此外，古建筑采用地栿和額枋將柱網(wǎng)連成整體，也能很好地加固建筑物的整體剛度。發(fā)生地震時(shí)，柱腳下插在柱礎(chǔ)內(nèi)的管腳榫能夠有效地固定柱身，防止柱腳滑動(dòng)，抵制擠壓與摩擦帶來(lái)的沖擊，減輕地震能量。很多明清建筑的基礎(chǔ)工程往往更出色。一般采用在仿佛基坑下打入木樁，再用碎石進(jìn)行嵌檔，并加以灌漿砸實(shí)，最后夯筑一些小夯灰土，并壘砌柱礎(chǔ)石，磚砌攔土墻，磚石包砌臺(tái)幫。次來(lái)的地基下部都是柔性結(jié)構(gòu)，而上部則是剛性結(jié)構(gòu)，就像是彈簧支座上放了剛性物體，能夠極大緩沖地震帶來(lái)的能量，有效抗震。還有一部分做法，諸如在檐柱上加入側(cè)腳與生起，使建筑物整體性和重心更為穩(wěn)定，同時(shí)強(qiáng)化了垂直構(gòu)件與水平構(gòu)件的結(jié)合。這種做法使我國(guó)古建筑經(jīng)歷了多次地震的考驗(yàn)與沖擊，建筑整體依然能夠保持良好形態(tài)，顯示了我國(guó)的古代人民在建筑物抗震方面的卓越才智。
2.3 古建筑在抗震上的多層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
多層木造結(jié)構(gòu)往往在層與層的過(guò)渡上采用纏柱造與叉柱造兩種方式，叉柱造指的是將上層的檐柱底部設(shè)置一個(gè)獅子開(kāi)口，從而插入平坐柱的斗栱內(nèi)，平坐柱進(jìn)一步叉立于下檐柱的斗栱上，向內(nèi)退進(jìn)，長(zhǎng)度為半柱徑。比如河北正定的龍興寺，宋代的轉(zhuǎn)輪藏殿和薊縣的獨(dú)樂(lè)寺與遼代的觀音閣，這種構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，省事，且不用另增構(gòu)建。其缺點(diǎn)主要在柱腳開(kāi)口上，一般會(huì)影響柱體的強(qiáng)度，使里面因?yàn)槭者M(jìn)比較少，造成外觀上不夠穩(wěn)定。纏柱造見(jiàn)于《法式》，指的是在通過(guò)在柱端增加斜梁的方式，將上層柱立在梁上，這種方式無(wú)論在外觀還是結(jié)構(gòu)上都相對(duì)妥善，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也比較好，但是需要增加一個(gè)梁，腳步的每面還要在增加一組斗栱和附斛。此外，古人還會(huì)在結(jié)構(gòu)層之中，加入一定的平坐層，使得每層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與整體性得到強(qiáng)化，從而更好地抵抗地震的沖擊。
3.結(jié)語(yǔ)
大量震害情況說(shuō)明了我國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)式建筑雖然會(huì)在地震中產(chǎn)生大幅度搖晃，但往往整體架構(gòu)并不會(huì)遭到破壞，存在搖而不倒，晃而不散的特點(diǎn)，地震結(jié)束后，能夠很快恢復(fù)原狀，即使出現(xiàn)墻體塌陷情況也不會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。雖然古人對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑物并未留下更多技術(shù)資料，但通過(guò)宋代的“營(yíng)造法式”與清代的“營(yíng)造則例”以及其他相關(guān)的文字材料與實(shí)際案例中，我們依然可以窺見(jiàn)古人在抗震方面的卓越智慧。這種高度有機(jī)結(jié)構(gòu)體系所體現(xiàn)的抗震觀念是更多的偏重于“摩擦耗能，以柔克剛，滑移防震”，這種觀念和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)所采用的“加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震”原則十分不同，對(duì)于現(xiàn)代建筑物的抗震研究具有十分鮮明的啟示意義。
