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传统木构建筑的抗震特性

 时空胜步 2014-02-20

  通过对震灾区的调查研究,木结构的古建筑能在震灾中大部分幸存下来,它们为什么具有抗震能力呢?本文从“以柔克刚”东方哲学的基本理念,矩形平面设计,采用檐柱、金柱、门槛等相连接的结构形式,阐述了传统木构建筑的抗震特性。

  中国木构建筑,从浙江余姚河姆渡使用穿逗榫卯结构开始,距今已有六、七千年的历史。进入先秦时期已较为成熟,宏伟的秦都咸阳宫殿和弥山跨谷绵延300里的阿房宫,证明秦国建造技术在战国晚期居其他各国的领先水平。秦统一后,集六国之精英,建筑技术有了更好的发展,从咸阳一号宫殿的想像复原,说明秦国已具有解决大体量高台座的技术。从秦汉到清末的两千多年间,中国建筑在多民族和外来文化的渗透、融合后,技术和艺术都不断成熟,成为独具风貌的中国传统建筑。唐宋以来,伴随文化交流,中国建筑传到了日本、韩国、越南和东南亚各国,为了有别于以希腊、罗马为代表的欧洲古典建筑,中国建筑被公认为亚洲文化圈的典型代表。

  中国传统建筑就结构形式分类,可分为砖石结构、木结构、砖木混合结构和生土建筑等几种形式。砖石结构多用于陵墓和高塔;砖木混合结构多用于民居和祠堂,尤以安徽、浙江、福建使用较多;生土建筑主要指西北黄土高原的窑洞和夯土建筑;木结构是中国传统建筑使用最多的结构形式,是中国传统建筑的精华。所谓砖木结构,一般是指以木排架为受力系统,以砖石砌山墙(自承重)或局部外隔墙及窗台以下的墙裙。

  砖木混合结构的结构主体是木结构排架,由于砖墙不承担上部屋顶的荷载,它只担负隔墙的功能,因此,即使墙壁倒塌,也不影响主体建筑的使用,故民间有“墙倒屋不塌”之说。

  纵观历史,中国传统木结构建筑因地震原因而倒塌的记载,极为少见,查阅史书或地方志,木建筑的毁坏主要是天灾(雷击起火),人祸(战争、兵燹、焚香烧纸失火),或因潮湿、虫蛀,导致木构架糟朽、倾覆。北魏洛阳的永宁寺塔,高数十丈,天晴时百里之外可见。因雷击起火,无法救助,全城百姓流着泪看它变成了灰烬。楚霸王攻陷秦都咸阳后,一把火把咸阳烧成焦土,大火三月不绝。历代的农民起义,无不是把封建帝王的宫室、城池“打得稀巴烂,再踏上一支脚”!陈胜、吴广如此,张献忠有过之而无不及,天府之国的成都,被破坏成虎狼横行的废墟。堂堂一省的行政中心,被迫借阆中办公。紧临地震区的山西应县佛宫寺释迦塔,高30多m,全木结构,建成至今900余年,经多次地震,至今尚在。四川平武报恩寺,建成迄今500余年,经历数次强烈地震,包括松潘7.2级地震和今年5.12汶川8级地震,报恩寺虽有破损,但并未倒塌。都江堰二王庙是此次地震的重灾区,由于震害严重,屋顶大部分损坏,小青瓦屋顶滑落,隔墙倒塌。只要没有台地滑坡,木构架只是歪斜变形,很少全部震塌。由此可以证明,全木结构的传统建筑,确实具有抗拒地震的能力。

  木结构为什么具有抗震能力呢?有如下的一些措施,对抗拒震害是有益的;

  1.以柔克刚:这是东方哲学的基本理念。大禹治水用疏不用堵;汉张良,以乡音瓦解楚霸王十万雄兵;诸葛亮用兵“攻心为上,攻城次之”和清初孝庄皇太后一杯酒劝降洪承畴,为清初的社会稳定奠定基础以及看似柔软的东方太极拳,却可对抗西方如狼似虎的拳击等等,皆是“以柔克刚”的典型例子。中国传统木结构的接头,不用刚接用榫卯,不加铁钉用木销,使榫卯连接处具有一定的延伸性,可以消解外力。斗拱更是消震的重要构件,它像汽车的减震器一样,当遭受地震时,破坏力从地基开始,通过柱子、斗拱、梁架、穿枋等多个接点的释放,传达到屋顶时,震害已大大减轻,因此,只要地基不出现滑坡,一般都只会构架偏移,瓦面滑落,不会整体倒塌。此次汶川8级强震,青城山的古建筑受震害破坏较小,多是瓦片滑落。但后世用砖混结构添建的建筑,倒塌较多。二王庙震害严重,主要是山体滑坡造成的。离堆公园内的伏龙观古建筑群,由于地基未出现滑坡,木构架仅有少量变形,屋面瓦片大面积滑落。不需大动干戈,用打牵的传统工艺,就可将排架扶正,对松动的榫卯适当修理,重新盖上瓦顶,就可继续使用。

  2.平面图形规整、简洁,一般均为矩形,进深较大,符合现代抗震规范的要求。保存迄今有500年以上历史的建筑:唐代山西五台山南禅寺大殿,佛光寺大殿;山西应县佛宫寺释迦塔;河北蓟县观音阁山门及大殿;四川平武报恩寺和新津观音寺;以及北京明清故宫等建筑都具有这样的特点。

  3.重视侧脚、收分:传统木结构的檐柱和金柱,在垂直方向大都向房屋的中心倾斜;高层楼阁建筑,柱子层层内收,使建筑立面呈下大上小之势。再加上屋顶采用比较稳定的三角形,更增强了建筑的稳定性。

  4.重视对水平风力的转递、消解:比较考究的木建筑,在檩条下还另加一根比受力檩条小一些的小檩条,有的称拉纤,有的叫牵条。它与排架上的短柱用榫头连接,以使排架增强横向刚度。当建筑跨度较大时,在相当于屋架下弦之处,还要增加几根拉纤,以加大屋架的横向刚度,抵抗从山墙方向传来的横向荷载。山西应县释迦塔采用“明五暗四”增加结构刚度的措施,创造了经历多次六级以上的地震,九百年不倒的世界奇迹。近代欧美国家的高层建筑设计规范,有可能是借鉴了该建筑的构造措施而制定的。

  5.门槛(又称地扶,有的大型建筑还专门作藏于地面以下的暗地扶。日本木建筑的抗震措施之一,就是室内陆平以下,用地扶纵横连接,以加强整体刚度。清水寺是最典型的例子)是约束变形的关键:传统建筑的门槛,用料粗壮结实,它位于檐柱或金柱之间,把柱子紧紧的卡住,与上部额枋的共同作用,犹如现代抗震设计规范规定的圈梁,使建筑物的整体性能更为加强。

  6.欠入方式不同。柱子与柱础(四川叫磉蹬)之间,不用嵌入,采用较为平整的金属踬板或硬木软磉过渡,此种连接方式,能显著减少柱底和柱础表面的摩擦力,避免水平剪切力的破坏。

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