淺談古建筑中木結構的抗震構造原理

本文對我國傳統古建筑的木結構特點,并通過對建筑物的體型、選材、結點等構造的分析,探討并闡述了我國古建筑的抗震原理。

  1. 前言
  我國的傳統古建筑多數以磚瓦和木材作為主要的建筑材料,其中木構架結構基本是主要的結構形式。一般采用眾多的木構件進行組合,形成一定的框架體系,柱網平面間采用均衡對稱形式,形成格局。結構一般由橫梁、立柱、順檁搭建而成,不同構件間的結點往往通過榫卯來吻合,從而構成彈性框架。結構體系又可以具體分為穿斗、抬梁和干闌式三類。木結構建筑在防震抗震方面有很大優勢,這種結構與今天的框架結構相類似,借由木材本身的特點及斗栱與榫卯存在伸縮余地等特點,能夠在一定程度上減弱地震造成的危害,“墻倒屋不塌”正是對這種結構特點的形象說明。
  2. 古建筑木結構抗震構造與原理
  我國的古建筑以木結構為主,在構造上主要由基礎、柱子、斗拱、梁架、屋頂等部分組成,其中,梁與柱采取榫卯節點形式連接,千百年來,它們歷經了各種地震災害而保持完好,體現出良好的抗震性能[1]。著名的義縣奉國寺大殿,為我國現存最大的單層佛殿建筑,據寺內元、明、清碑刻記錄,曾“經庚寅地震”(1920年武平6.7級地震)“無所壞”。1975年海城地震,義縣處于主震斷面線上,奉國寺山門、無梁殿等清代小型建筑多受損害,而大殿基本安然無恙[2]。海城地震,關帝廟與三學寺等一些古建筑只是瓦頂和外墻部門出現了輕微的損傷,建筑物整體基本完整。1976年,我國發生了唐山大地之,其中薊縣烈度為八度,獨樂寺中矮小的建筑均發生了墻倒屋塌的現象,但遼代公元九八四年修建的高達二十余米的山門與觀音閣卻完整無損,這兩座建筑皆為木結構。這些都充分說明了我國木結構式古建筑在抗震方面的性能是十分優越的。
  2.1 古建筑體型上的抗震特點
  建筑物平立面布置需要滿足“規則、對稱、剛度與質量變化均勻”的特點才能夠很好地實現抗震效果。剛度和質量變化均衡有兩方面涵義,第一是指在結構平面的方向上,傳統建筑的質量中心和結構剛度中心相對一致,扭轉效應基本不會使離剛度中心較遠的構件產生嚴重震害,另外,結構立面上,沿結構的高度方向,剛度與結構質量不會發生懸殊變化,不會產生薄弱層,所以就不會造成集中的變形,也就不會加速結構倒塌。我國的古建筑在平面布局上具有相對簡明、清晰的組織規律,從整體上看,重要的建筑一般都實施均衡對稱式,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組合與烘托,不僅能夠使主體建筑看起來更為壯麗宏偉,也能夠有效地減輕地震扭轉效應。這是因為建筑物形狀的規則性使得地震發生時,建筑物各部分震動相對協調一致,不至于出現應力集中的現象,減弱了地震對建筑物造成的影響。
  2.2 古建筑在選材和節點構造上的抗震特點
  木結構構架的整體剛性比較好,雖然木材容易在外力作用發生變形,但由于其本身較強的柔性特點,所以仍然具備了一定的恢復變形能力,這個特點對抗震來說十分重要。將木榫作為柔性建筑的結點而成組的斗栱,其橫縱構件相連,恰好形成彈性節點,當地震發生時,斗栱恰似大彈簧,劇烈顛簸的過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。榫卯構造技術是我國傳統木建筑普遍采用的技術手段,體現了我國建筑“以柔克剛,順應自然”的思想哲理。這種方式充分利用了木材本身的柔性與彈性,如同動物骨骼與關節一樣可以進行一定的扭轉與伸縮,從而增強了建筑物的抗震性能。
  此外,古建筑采用地栿和額枋將柱網連成整體,也能很好地加固建筑物的整體剛度。發生地震時,柱腳下插在柱礎內的管腳榫能夠有效地固定柱身,防止柱腳滑動,抵制擠壓與摩擦帶來的沖擊,減輕地震能量。很多明清建筑的基礎工程往往更出色。一般采用在仿佛基坑下打入木樁,再用碎石進行嵌檔,并加以灌漿砸實,最后夯筑一些小夯灰土,并壘砌柱礎石,磚砌攔土墻,磚石包砌臺幫。次來的地基下部都是柔性結構,而上部則是剛性結構,就像是彈簧支座上放了剛性物體,能夠極大緩沖地震帶來的能量,有效抗震。還有一部分做法,諸如在檐柱上加入側腳與生起,使建筑物整體性和重心更為穩定,同時強化了垂直構件與水平構件的結合。這種做法使我國古建筑經歷了多次地震的考驗與沖擊,建筑整體依然能夠保持良好形態,顯示了我國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構特點
  多層木造結構往往在層與層的過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置一個獅子開口,從而插入平坐柱的斗栱內,平坐柱進一步叉立于下檐柱的斗栱上,向內退進,長度為半柱徑。比如河北正定的龍興寺,宋代的轉輪藏殿和薊縣的獨樂寺與遼代的觀音閣,這種構造相對簡單,省事,且不用另增構建。其缺點主要在柱腳開口上,一般會影響柱體的強度,使里面因為收進比較少,造成外觀上不夠穩定。纏柱造見于《法式》,指的是在通過在柱端增加斜梁的方式,將上層柱立在梁上,這種方式無論在外觀還是結構上都相對妥善,結構的穩定性也比較好,但是需要增加一個梁,腳步的每面還要在增加一組斗栱和附斛。此外,古人還會在結構層之中,加入一定的平坐層,使得每層的結構穩定性與整體性得到強化,從而更好地抵抗地震的沖擊。
  3.結語
  大量震害情況說明了我國傳統的木結構式建筑雖然會在地震中產生大幅度搖晃,但往往整體架構并不會遭到破壞,存在搖而不倒,晃而不散的特點,地震結束后,能夠很快恢復原狀,即使出現墻體塌陷情況也不會影響結構安全。雖然古人對木結構建筑物并未留下更多技術資料,但通過宋代的“營造法式”與清代的“營造則例”以及其他相關的文字材料與實際案例中,我們依然可以窺見古人在抗震方面的卓越智慧。這種高度有機結構體系所體現的抗震觀念是更多的偏重于“摩擦耗能,以柔克剛,滑移防震”,這種觀念和現代結構所采用的“加強結構抗震”原則十分不同,對于現代建筑物的抗震研究具有十分鮮明的啟示意義。

來源:南方古建筑設計院

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