中國木結構古建筑的抗震性能

  汶川大地震舉國震驚,在重災區北川的一片廢墟中,傲然挺立著兩所震不塌的學校。家長和老師們泣謝建校功臣:是他們的責任心挽救了上千名學生的生命。這兩所學校向人們訴說著:地震災害雖然難以預測,但是只要采取了足夠的防震措施,是可以把地震災害的損失降到最低限度的。建筑物防震,這是一個古老的話題。中國很多古建筑,具有很強的抗震性能。

  一、中國古建筑三個典型的抗震實例
  
  1.麗江古建筑強震中墻倒屋不塌。中國有句俗語叫“墻倒屋不塌”,是說那些木構架的古房屋,墻倒了房頂卻不
  會塌下來。1996年2月麗江大地震中,聯合國的專家親眼目睹了這一奇跡。
  那一年,麗江地區發生7.0級地震,震中烈度達到九度,麗江古城遭受到嚴重破壞。有關方面在為麗江各族人民擔憂之余,還為另一件事擔憂:麗江古城最初建于宋末元初(公元12世紀末~13世紀初),距今大約有800年的歷史,至今保留了大片明清年代的居民建筑,均是土木結構瓦屋面樓房,融合了納西、白、漢等民族建筑藝術的精華。當年麗江古城申報“世界文化遺產”,受到聯合國科教文組織的高度重視,它派來實地考察的專家組已經到了北京。在這節骨眼上麗江卻發生了如此強烈的地震,聯合國的專家還去不去?申報“世界文化遺產”還有沒有希望?文物局經過研究決定,還是按原計劃考察麗江。一行人風塵仆仆地趕到麗江,驚奇地發現,老城區并沒有想象的那樣破壞嚴重。許多新建的大樓倒塌了,新建道路被破壞了,老房子卻沒有倒。盡管墻有的裂了,有的倒了,可是那些老的構架卻頑強地支撐著屋頂,保持著原來的形態。具有諷刺意義的是,幾棟新樓,因為破壞了古城風貌,準備拆除還沒來得及動工,就被地震震塌了。老城區的老路還是那樣蜿蜒曲折,玉泉河分成的無數支流還是那樣繞屋傍路地流淌。經過大地震的洗禮,麗江老城區竟然頑強地顯示出勃勃生機!聯合國的專家被感動了,他們一致認為,麗江的歷史、藝術和科學的價值還在,經過修復,“世界文化遺產”申報依然有效!
  2.應縣木塔歷盡劫難近千年不倒。應縣木塔即佛宮寺釋迦塔。建于遼清寧二年(1056年),即北宋至和三年,距今已有950余年。它是我國乃至全世界現存最早、最高的木塔。塔高67.31米,底層直徑30.27米。整個建筑由塔基、塔身、塔剎三部分組成。塔基分作上下兩層,下層為方形,上層為八角形。塔平面亦為八角形,外觀為五層六檐。內部還有四個暗層,共高九層。
  應縣木塔整體構架全部用松木和榆木建造。在結構上采用雙層環形、空間框架。上層柱腳插在下層柱頭的枋上,并向內遞收,形成一層比一層小的優美輪廓。全塔在結構上沒用一個鐵釘,全靠構件互相卯榫咬合。柱子按內外兩環布置,由于暗層柱間采用近似桁架的作法,外立面有四個面的柱間,設有斜撐,形成雙套筒式結構。四個暗層形成四個剛性較大的環,猶如現代建筑中的圈梁,加強了結構的整體性。柱腳間還有地拱等水平構件,這樣明層通過柱、斗拱、梁枋的連接形成一個柔性層,與暗層的環一剛一柔,剛柔相濟,也就大大加強了抗震性能。
  據歷史記載,元順帝時大震七日,木塔巋然不動。明王朝時期,山西靈丘一帶曾發生烈度為九級的強震,房屋倒坍,人死幾千,而木塔無損。1926年,山西軍閥混戰,塔遭炮擊200余發,塔身彈痕累累,卻巍然不倒。
  3.獨樂寺觀音閣傲然屹立于唐山大地震。天津薊縣獨樂寺觀音閣,始建年代已無史料可查,重修于遼圣宗統和二年(公元984年),距今已有一千多年歷史,是世界上現存建筑時間最早的高層樓閣式木結構建筑物。它外觀二層,實為三層,中間一層為暗層,高23米。地基是用黃土和灰沙夯打而成的,既堅固結實,又有一定的彈性。觀音閣的整個結構既美觀又科學。全閣有立柱兩層,外檐柱18根,內檐柱10根。各層檐柱之間又有梁枋互相連接,構成內外兩圈,外圈檐柱構成的外框套著內層檐柱構成的內框。內外兩個框架之間又以短橫梁相連。這種結構大大增強了觀音閣抵御地震帶來的水平推力破壞的能力。據專家們測量,進深和閣高尺度之間的比例,大約為四比三。這種比例使得觀音閣即使被強烈的地震所搖晃,也不至于失去重心。為容納龐大的泥塑觀音菩薩像,觀音閣內部修成了一個空井。為避免空井結構影響高層樓閣的穩定性,在井口安裝了斜撐,還把三個井口中的一個由四邊形改作成六角形。
  千余年來,獨樂寺經歷了無數次地震,其中清康熙到乾隆年間薊縣附近就發生了三次強烈地震,史記“薊縣城官廨民舍無一幸存,觀音閣獨不圮?!?976年7月28日唐山大地震,震中離薊縣只有幾十公里。在這次大地震中,唐山、豐南、天津、三河、薊縣等地,房屋倒塌無數。在地震發生的時候,有人聽到觀音閣中的梁架咯咯作響,也有人看到觀音閣的屋頂來回擺動。專家們震后考察得知,觀音閣中用以連接觀音泥塑像和柱子之間的大鐵索已被拉斷。但是,菩薩像沒有倒,觀音閣也沒有倒。由此證明,它的抗震能力是多么卓絕!
  
  二、中國古建筑的四大抗震法寶
  
  1.建筑材料以木材為主。以木構架結構為主要的結構方式。按中國古代的陰陽五行學說,木為五行之首,木氣屬陽,與季節的春對應,主生發,是自然生命力旺盛的象征。土屬陰,土生木,土地上建木屋乃陰陽合和之處,最適合人居住。故古人最喜以木建房。木材柔韌,富有彈性,以木材建造的梁柱式結構,可以讓巨大的震動能量消失在彈性很強的結點上。所以木建筑有很強的防震性能。
  2.榫卯技術。榫卯是兩部件結合的一種技術。一部件制成凸出狀稱榫頭,另一部件制成凹下狀稱榫眼,榫頭、榫眼尺寸相當,將榫頭用力打進榫眼,兩部件就緊密結合了。中國古代建筑的木構架基本做法是由立柱、橫梁、順檁、地拱等主要構件建造而成,各個構件之間的結點以榫卯相吻合,構成富有彈性的框架。再以闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、檁、椽等諸多構件強化聯系。這樣的框架結構有極強的抗震能力,據說在地震中被平推數尺也不散架。
  3.斗拱。斗拱是中國古代木建筑特有的構件,由水平放置的方形斗、弓形的拱以及斜置的昂組成。安裝在立柱上挑出,將屋檐的大面積荷載傳遞到立柱上。由于斗拱具有較好的彈性,它像汽車的減震器一樣消減了地震的部分沖擊力,保護構架的安全。
  4.臺基。建筑物下筑臺基,在新石器時期即已出現。臺基一般是由夯土筑成,外包磚石。這樣的臺基形成了一個結實的整體且富有彈性。建筑物的柱子并不埋在夯土里,而是置于石頭或銅器為底的臺上。地震中,臺基的彈性能夠消除部分沖擊力,堅實的整體性則有效地保護建筑的基礎,使它不被剪切破壞。臺基上的建筑物也可以臺基為依托通過彈性形變、縱跳橫挪等方法來消解地震能量,保護自身安全。
  充滿智慧的中華民族,在與地震災害的長期斗爭中,創造性地使用了四大法寶,使我國的古建筑的抗震性能舉世矚目,也為現代建筑的抗震措施提供了借鑒的資料和樣板。

來源:南方古建筑設計院

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