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中國古代建筑如何抗震木結構建筑以柔克剛添加時(shí)間:2016-04-08 11:33:35

  我國是一個(gè)多地震的國家,是世界上地震活動(dòng)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(jīng)受過(guò)大地震的考驗,如天津薊縣獨樂(lè )寺觀(guān)音閣、山西應縣木塔等建筑,千百年來(lái)均經(jīng)歷過(guò)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(lè )寺:經(jīng)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(lè )寺和山西應縣木塔在抗震方面的表現尤其突出。獨樂(lè )寺位于天津薊縣盤(pán)山腳下,始建于唐代,寺內的觀(guān)音閣和山門(mén)重建于遼代。自重建以后千余年來(lái),獨樂(lè )寺曾經(jīng)歷了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)三河、平谷發(fā)生8級以上強震,“薊縣城官廨民舍無(wú)一幸存,觀(guān)音閣獨不圮?!?976年唐山大地震,薊縣城內房屋倒塌不少,觀(guān)音閣及山門(mén)的木柱略有搖擺,觀(guān)音像胸部的鐵條被拉斷,但整個(gè)大木構架安然無(wú)恙。

  

  獨樂(lè )寺觀(guān)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(guān)音閣的斗拱設計十分巧妙,在沒(méi)有一顆釘子固定的情況下,通過(guò)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(shí)能及時(shí)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(lái),經(jīng)歷過(guò)多次大地震的考驗。據史書(shū)記載,在木塔建成200多年之時(shí),當地曾發(fā)生過(guò)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(dòng)。上世紀初軍閥

  

  混戰的時(shí)候,木塔曾被200多發(fā)炮彈擊中,除打斷了兩根柱子外,別無(wú)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(guān)節點(diǎn)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(shí)際是九層,明層通過(guò)柱、斗拱、梁枋的連接形成一個(gè)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(xué)性能好

  

  有人說(shuō),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(yōu)點(diǎn)。在防震方面,主要依靠木結構。學(xué)者程建軍認為,木材是一種質(zhì)輕、力學(xué)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(diǎn)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(chēng)的柱網(wǎng)平面和梁架布置,使其形成一個(gè)具有一定柔性的整體框架結構體系,當地震襲來(lái)時(shí),建筑便通過(guò)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(yōu)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(chēng)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(cháng)寬比小于2∶1的矩形。規則的平面形態(tài)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(gè)斗栱層。中國古代建筑的臺基用現代結構語(yǔ)言描述,堪稱(chēng)“整體浮筏式基礎”,好比是一艘大船載著(zhù)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(shí)踐證明這種構造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)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(guò)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(gè)構架的整體性;龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)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(shí)它像汽車(chē)的減震器一樣起著(zhù)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(zhù)承托梁架和出挑屋檐的作用。當地震發(fā)生時(shí),屋頂與柱之間的若干組內外檐斗拱像彈簧層一樣起著(zhù)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(méi)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(shuō)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(lái)的斗拱群能夠形成一個(gè)整體性很強的“剛盤(pán)”,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(gè)結構的安全性。

  

  絕招三:榫卯是抗擊地震的關(guān)鍵

  

  除了這些較顯著(zhù)的手法外,中國古代傳統建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施,這些措施是古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用,榫卯是極為精巧的發(fā)明,我們祖先早在7000年前就開(kāi)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(chǎn)生一定的變形,在地震荷載下通過(guò)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(gè)閉合的構架系統,用現代術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō),就是形成上、下圈梁,有效地制止了柱頭、柱腳的移動(dòng),增強了建筑構架的整體性。梁架系統通過(guò)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(lián)系,顯著(zhù)增強了結構的整體性;柱子與柱礎的結合方式能顯著(zhù)地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦,進(jìn)而有效地產(chǎn)生隔震作用;在高大的樓閣中,如獨樂(lè )寺觀(guān)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?jīng)_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(lèi),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。

  

  相關(guān)資料

  

  中國古代建筑在漫長(cháng)的發(fā)展過(guò)程中能夠始終保持自己的個(gè)性,有其必然性。以建筑材料而論,中國古代建筑的木結構在維持建筑使用壽命上并不占任何優(yōu)勢,木制的梁架、門(mén)窗、柱子經(jīng)不起長(cháng)時(shí)間的風(fēng)吹雨淋。但恰恰是這種充滿(mǎn)柔性的木結構,造就了中國古建筑獨特的造型和豐富的形式。

  

  這樣的例子在國外也并不少見(jiàn)。在日本神戶(hù)和美國洛杉磯的大地震中,木結構建筑只是稍微變形而絕不倒塌。即使在強大的地震力下,木結構建筑被整體推前了數米或被拋離了基礎,但仍完好而無(wú)散架。由此證明了木結構建筑在各種極端的負荷條件下,其結構的抗地震穩定性和完整性。日本政府在神戶(hù)大地震后,就曾明令所有的民用住宅必須采用北美的木結構建筑。