汶川地震后羌寨建筑的抗震能力調(diào)研與分析

劉 希，呂秋晨，孫裕順，張 磊

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

羌族，作為我國古老的民族之一，長(zhǎng)期生活在高山峽谷，被譽(yù)為“云朵上的民族”。羌族人主要聚居于四川盆地西北沿岷江上游和涪江上游地區(qū)，位于地震多發(fā)帶，其建筑經(jīng)受過多次地震考驗(yàn)。在與地震長(zhǎng)年的搏斗中，在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)物資種類貧乏的情況下，羌族人民憑借其智慧積累了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，其珍貴的古建筑與建造技術(shù)需要社會(huì)各界給予重視和保護(hù)。因此，項(xiàng)目組在大學(xué)生科研計(jì)劃項(xiàng)目“學(xué)校建筑抗震結(jié)構(gòu)調(diào)查與分析”的研究中，增選了對(duì)羌寨在“5·12”地震中的破壞情況和重建工程的實(shí)地調(diào)研，學(xué)習(xí)古建筑建造技術(shù)，總結(jié)古建筑和民居建筑的抗震技術(shù)和能力，對(duì)我國鄉(xiāng)村建筑抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展具有重要參考價(jià)值。

圖1 布瓦寨地勢(shì)圖

1 羌族建筑

1.1 羌族建筑歷史

羌區(qū)屬于四川盆地外圍山體向西部高山高原過渡的地帶，地勢(shì)由中山向高山和高原過渡，地形呈蜿蜒起伏的立體單元【1】。筆者此行調(diào)研地——布瓦寨，位于岷江和雜谷腦河交匯處北側(cè)的布瓦山上，選址于高半山緩坡之地(圖1)。

圖2 歷史悠久的羌族建筑

羌族建筑歷史悠久，據(jù)文獻(xiàn)記載，已有兩千多年歷史。《后漢書》中曾有此記載:“眾皆依山居止，壘石為室，高者至十余丈，為邛籠”［2］。此行調(diào)研選擇了布瓦寨黃泥夯筑羌族民居和黃泥碉，均于明代修建，為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位(圖2)。

1.2 羌族建筑結(jié)構(gòu)及材料

經(jīng)過對(duì)布瓦寨實(shí)地調(diào)研，民居建筑外形簡(jiǎn)單，大多為矩形，具有較好的整體性。建筑結(jié)構(gòu)多為土木、土石結(jié)構(gòu)，以木材為框架，以毛石砌成基底，之上采用黃泥夯筑(圖3)。民居內(nèi)部以木材作為梁、柱等內(nèi)部構(gòu)件(圖4)，可提高其抗震韌性。此外，民居中使用圓木，將其砌在墻中形成木經(jīng)［1］，可增加墻體的剛度(圖3b)。

圖3 布瓦寨民居外觀

建筑材料方面，羌族人很好地利用了所處地域有限的自然資源，主要包括石材、泥土、木材等。墻體主要采用當(dāng)?shù)厥模环N外形不規(guī)則硬度較高的石片。用于砌石料時(shí)的粘和劑則是本地的黃泥，同時(shí)摻入一定的纖維材料，使之具有良好的粘結(jié)度和和易性，有助于增強(qiáng)建筑整體的抗拉能力。

1.3 羌族民居抗震特色

1.3.1 生土加木石結(jié)構(gòu):

圖4 布瓦寨民居內(nèi)部梁柱構(gòu)造

圖5 布瓦寨黃泥碉復(fù)原圖

經(jīng)調(diào)研觀察，羌寨房屋以木材作為框架。木框架具有良好的韌性與緩沖能力，能在地震中吸收一定的地震能量。另一方面，就多數(shù)羌寨房屋而言，墻體采用片石和塊石，并選用粘性好的純凈黃土為粘合劑夯筑而成。同時(shí)，在墻體內(nèi)尤其是轉(zhuǎn)角部位加入片石以及植物纖維，達(dá)到增強(qiáng)墻體整體性，提高墻體抗震能力的效果。此外，圖3c所示民居和圖5所示碉房建筑的內(nèi)部鋪設(shè)于兩側(cè)墻體端墻的樓層和房頂?shù)拿芗举|(zhì)橫梁，也起到了從內(nèi)部支撐墻體、分力抗震的作用［3］。

1.3.2 采用“收分”的墻體建造形式

房屋墻體內(nèi)側(cè)與地面垂直，外側(cè)通過隨高減小墻體厚度而使外墻稍向內(nèi)傾斜，墻體內(nèi)直外斜，上小下大，具有良好的穩(wěn)定性。這種被稱為收分的建造方式，不僅可以減輕墻體自重，亦可提高房屋的抗震性能。圖3所示民居和圖5所示碉房建筑，都采用了“收分”的墻體建造形式。此種形式亦與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)建筑的質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻的要求相似［3］。

1.3.3 小體量房屋

羌族民居多為小體量，高度不超過兩層。此外，民居中有部分聯(lián)體修建的房屋，在地震中受害較小。

2 布瓦寨房屋震害分析

2.1 生土結(jié)構(gòu)中加入木、石可提高抗震性能

在“5·12”地震中，布瓦寨房屋由于采用黃泥加片石砌筑，雖大部分民房開裂，約三分之一房屋不能居住，但所幸無一人傷亡。相比于此，布瓦寨附近另一處羌寨——蘿卜寨，受災(zāi)情況更為嚴(yán)重。由于蘿卜寨建筑僅用黃泥砌筑，其民居在地震中無一幸免，266戶村民的房屋全部倒塌，災(zāi)難造成44人死亡【4】。由此可知，黃泥加片石雖無法完全抵擋地震災(zāi)害，但相對(duì)于僅用黃泥砌筑的建筑，抗震效果更勝一籌。

2.1.1 墻體收分較大的建筑優(yōu)于收分不明顯的建筑

許多外墻收分較大的老房屋墻體垮塌較輕甚至保存完好，而墻體收分不明顯或直墻體的房屋墻體垮塌嚴(yán)重。以布瓦寨中的黃泥碉為例，其作為羌族特色建筑，雖歷史久遠(yuǎn)，卻仍然在此次汶川地震中幸存下來。究其原因，在于其墻體采用收分的夯筑方式。碉內(nèi)結(jié)構(gòu)受到損害較為嚴(yán)重，碉層基本垮塌(圖5a)，但外部整體表現(xiàn)良好，說明收分的墻體具有良好的抗震性能。

2.1.2 聯(lián)體砌筑的房屋優(yōu)于單體

經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，寨中聯(lián)體砌墻的建筑損毀輕于單體建筑(圖6a、圖6b)。多座建筑相聯(lián)，使各建筑之間相互支撐而形成為較大的整體，從而增加了建筑墻體的整體穩(wěn)固性和抗震性能。

圖6 布瓦寨民居受損情況

2.1.3 墻體轉(zhuǎn)角連接處受損嚴(yán)重

房屋結(jié)構(gòu)方面，羌寨建筑存在薄弱環(huán)節(jié)，位于結(jié)構(gòu)連接處:縱橫交接處，外墻轉(zhuǎn)角處，樓梯間以及山墻等部位(圖6 c、圖6d)。在以后的建設(shè)中應(yīng)注意，墻體在連接處需要加大拉結(jié)材料用料，以增加房屋的整體性。

3 羌寨修復(fù)重建情況

此次調(diào)查地點(diǎn)布瓦寨以其眾多的黃土碉樓聞名，現(xiàn)僅存的三座(圖7)，被稱作“中國最后的黃泥土碉群”【5】。布瓦寨黃泥羌碉的保護(hù)是汶川縣災(zāi)后恢復(fù)重建首批啟動(dòng)項(xiàng)目，把3座羌碉的搶救性保護(hù)發(fā)展作為布瓦羌碉及整個(gè)村落的中心，形成一個(gè)核心保護(hù)區(qū)，屆時(shí)將申報(bào)世界物質(zhì)文化和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。

圖7 布瓦寨黃泥碉修復(fù)

在黃泥碉的修復(fù)重建中，繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的建造技術(shù)，即保留了原來黃泥碉墻體內(nèi)直外斜的收分形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行墻體加固。為提高抗震性，施工不急于求快，以保障新舊材料的充分融合。修復(fù)重建的黃泥碉不僅具有更好的抗震性，同時(shí)在極大程度上保留了傳統(tǒng)的碉樓建筑風(fēng)格。

4 羌寨建筑抗震技術(shù)對(duì)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)房屋抗震設(shè)計(jì)的啟示

我國村鎮(zhèn)房屋普遍存在如下問題:場(chǎng)地選擇不科學(xué)，結(jié)構(gòu)布局不合理，結(jié)構(gòu)體系存在缺陷，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造措施不夠，材料強(qiáng)度不能保證，施工質(zhì)量差等【6】。為此，通過對(duì)羌寨的建筑技術(shù)的調(diào)研與分析，將之與村鎮(zhèn)房屋進(jìn)行對(duì)比，得出如下啟示。

4.1 場(chǎng)地選擇

以四川省為例，許多山區(qū)村鎮(zhèn)房屋建在地勢(shì)起伏較大的不利場(chǎng)所，有的甚至臨近山坡。由于起伏較大的地形對(duì)地震波具有放大作用，因此會(huì)加強(qiáng)地震作用。地震時(shí)，易造成大面積山體滑坡，若房屋選址于山坡附近，則極易被泥石流掩埋。相比之下，羌寨具有可借鑒學(xué)習(xí)之處。由于羌地多巖石、陡坡，寨中碉樓用毛石砌筑基礎(chǔ)，以應(yīng)對(duì)不良土層，同時(shí)毛石基礎(chǔ)高出地面幾十厘米后才在其上夯筑土墻體(圖8 a)。羌寨地處山區(qū)，地震過后，附近山脈出現(xiàn)嚴(yán)重的山體滑坡現(xiàn)象。而羌寨以高半山緩坡為址，受山體滑坡影響較小。

4.2 結(jié)構(gòu)布局

村鎮(zhèn)房屋中多為村民自行設(shè)計(jì)，往往造成房屋平面布置不規(guī)則，加之抗震意識(shí)淡薄，沒有進(jìn)行有效的抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)汶川地震啟示，只要進(jìn)行過抗震設(shè)計(jì)的房屋便能起到抗震作用，達(dá)到大震不倒的效果。經(jīng)過調(diào)研，羌寨中聯(lián)體房屋抗震性能較好，可考慮在村鎮(zhèn)建設(shè)中加以運(yùn)用。另一方面，羌寨中無論是石砌或者黃泥夯筑的碉樓，總體上看，建筑平面以矩形為主，簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱。碉樓內(nèi)外均有收分，下大上小的土木石結(jié)構(gòu)，具有明顯的抗震優(yōu)越性。

4.3 構(gòu)件連接、拉結(jié)

村鎮(zhèn)房屋主要為土坯房屋、木結(jié)構(gòu)房屋、石結(jié)構(gòu)房屋、磚土混合承重房屋等結(jié)構(gòu)房屋，材料質(zhì)量和強(qiáng)度沒有保證。村鎮(zhèn)房屋內(nèi)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)主體沒有有效的拉接措施，連接構(gòu)造措施不當(dāng)，使村鎮(zhèn)房屋抗震性能大大降低。羌寨房屋中利用片石(圖8 b)分層夯筑，內(nèi)外墻交錯(cuò)夯筑或咬砌，以提高房屋的整體性。在墻體中，尤其是在轉(zhuǎn)角連接處，摻入草葦?shù)壤w維拉結(jié)物，提高了房屋的抗震性能。

4.4 材料選擇

村鎮(zhèn)房屋多以土坯墻、夯土墻為主。至于夯土墻，如果使用純凈的粘土筑墻，其墻體的整體性較好且能“以柔克剛”而經(jīng)受住地震波的沖擊，但如果筑墻的粘土夾雜砂石則整體性較差而易被地震波的沖擊力瓦解［3］。對(duì)比布瓦寨與蘿卜寨可知，布瓦寨選用較為純凈的黃泥進(jìn)行夯筑，而蘿卜寨的砌筑材料為夾雜砂石的黃泥土，結(jié)果證實(shí)布瓦寨的抗震能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于蘿卜寨。

4.5 施工

村鎮(zhèn)建筑中，由于經(jīng)濟(jì)所限，施工人員多數(shù)為當(dāng)?shù)赝两?，缺乏技術(shù)知識(shí)，不能保證質(zhì)量，從而不利于結(jié)構(gòu)的安全。對(duì)于羌族建筑來說，其施工負(fù)責(zé)仔細(xì)。以黃泥碉為例，基本施工工序?yàn)槊科鲋粚?，要停工一年，待下一層充分黏結(jié)、沉降后，方可繼續(xù)往上修建【7】。經(jīng)過了這種嚴(yán)格把關(guān)的建造工序，可以保證墻體內(nèi)的各種復(fù)雜應(yīng)力趨于穩(wěn)定，保證了砌體的安全和在使用上的牢固性。

圖8 布瓦寨民居構(gòu)造

村鎮(zhèn)建筑由于經(jīng)濟(jì)條件與施工技術(shù)所限，存在諸多問題。而羌族碉樓體現(xiàn)了“選址合理、用材科學(xué)、整體布局、注重細(xì)節(jié)、確保質(zhì)量”的建造原則，創(chuàng)造了合理科學(xué)的抗震結(jié)構(gòu)來適應(yīng)地震多發(fā)區(qū)的房屋建設(shè)【3】。羌族人民充分利用了當(dāng)?shù)刈匀毁Y源，積累了豐富的建造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)值得學(xué)習(xí)與借鑒。

5 結(jié)束語

羌寨建筑是羌族人民面對(duì)惡劣的自然環(huán)境不妥協(xié)精神的象征，是羌族人民智慧的結(jié)晶。其建筑抗震技術(shù)和思想值得鄉(xiāng)村建筑借鑒與研究。重視傳統(tǒng)土石墻體碉房的建筑技術(shù)中的抗震技術(shù)，繼承和發(fā)揚(yáng)羌族石砌 和夯土碉房建造技術(shù)，將其加以優(yōu)化和改進(jìn)，應(yīng)用到更廣泛的鄉(xiāng)村建筑的建設(shè)中去，將具有更重要的社會(huì)意義。

［1］謝珂珩.羌族建筑及其抗震性能分析［J］.藝術(shù)與設(shè)計(jì)(理論)，2008(11)

［2］范曄(南朝宋).后漢書·南蠻西南夷列傳(卷86)［M］.中華書局，1974

［3］徐學(xué)書，喇明英.羌族傳統(tǒng)建筑抗震技術(shù)及其傳承研究［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(2):11

［4］施龍斌.奔向新的生活——“5.12”大地震一周年之際汶川鄉(xiāng)村掠影［J］.中國民族，2009(5):4

［5］華南理工大學(xué)建筑學(xué)院志愿者團(tuán)隊(duì).汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建專題研究［J］.南方建筑，2008(6):75

［6］劉瑩，楊柳.我國村鎮(zhèn)房屋抗震設(shè)計(jì)分析與研究［J］.中外建筑，2009(9):181

［7］雍承鑫.從汶川大地震看羌族碉樓的抗震性能［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(5)