從晉祠建筑看古代建筑的抗震技巧

劉 仙 芝

(晉祠博物館，山西 太原 030025)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

從晉祠建筑看古代建筑的抗震技巧

劉 仙 芝

(晉祠博物館，山西 太原 030025)

以晉祠古建筑為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)晉祠主殿、獻(xiàn)殿及舍利生生塔等建筑結(jié)構(gòu)的分析探討，總結(jié)了古代建筑在抗震設(shè)計(jì)方面所運(yùn)用的力學(xué)原理及布局方式，對(duì)國(guó)內(nèi)建筑抗震設(shè)計(jì)的研究有重要意義。

古建筑，結(jié)構(gòu)，抗震，布局

自古以來(lái)，我國(guó)就是一個(gè)多地震的國(guó)家，是世界上地震活動(dòng)頻發(fā)程度、災(zāi)害程度最嚴(yán)重的國(guó)家之一。在與地震災(zāi)害抗?fàn)幍倪^(guò)程中，我國(guó)古代的匠師們是如何應(yīng)對(duì)這些突如其來(lái)的自然災(zāi)害的，從祖先給我們留下的大量建筑物質(zhì)遺產(chǎn)中不難找到答案。

北魏酈道元所著《水經(jīng)注》中，有一段關(guān)于晉祠的記述：“沼西際山枕水有唐叔虞祠，水側(cè)有涼堂，結(jié)飛梁于水上，左右雜樹交蔭，希見(jiàn)曦景?！庇纱丝梢?jiàn)，早在1500多年以前，這里的祠、堂、飛梁等建筑，已蔚成大觀，以后又經(jīng)過(guò)歷代不斷的興建與開(kāi)拓?，F(xiàn)今以圣母殿為中心的晉祠規(guī)模，形成于北宋天圣年間，后又經(jīng)金、元、明、清歷代經(jīng)營(yíng)擘劃，以歷史悠久、風(fēng)景優(yōu)美、布局緊湊、規(guī)模宏大而聞名全國(guó)。

在這近10萬(wàn)m2的土地上，上起北宋年間，下至民國(guó)時(shí)期，百余座的殿、堂、樓、閣、亭、臺(tái)、橋、榭或依山或傍水地掩映在參天古木中。千百年來(lái)，這些建筑歷經(jīng)風(fēng)霜雪雨和地震劫難等自然災(zāi)害，保存至今，甚為珍貴。主殿圣母殿是祠內(nèi)最古老的建筑，也是宋代殿宇建筑中的代表作。它前臨魚沼飛梁，后擁懸翁主峰，壯麗而雄偉，在全祠布局中首屈一指。我國(guó)宋代建筑形成于北宋中葉，現(xiàn)存宋代建筑中，時(shí)間較早、保存較完整的便是圣母殿。它是我國(guó)建筑藝術(shù)從唐代過(guò)渡至宋代的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是研究我國(guó)古代建筑發(fā)展史和建筑藝術(shù)的重要的實(shí)物資料。圣母殿建成以后，屢經(jīng)地震的考驗(yàn)。宋景佑四年十二月初二(公元1038年1月9日)，地震一次，約7.3級(jí)，烈度約10度；宋建中靖國(guó)元年十二月辛亥(公元1102年1月15日)，又震一次，6.3級(jí)，烈度約8度。其中景佑四年震級(jí)較大，破壞較甚，圣母殿受到?jīng)_擊，元明以來(lái)，太原地區(qū)亦屢次發(fā)生強(qiáng)烈地震，宋徽宗崇寧元年(1102年)曾對(duì)圣母殿加以重修。以后，歷代王朝都曾對(duì)圣母殿進(jìn)行過(guò)維修。現(xiàn)在屋頂?shù)牧鹆Ъ雇?、?jiǎn)瓦、滴水和蹲獸等，除有少部分為宋代原件，其余大部分為明代的物件。然而圣母殿整個(gè)梁枋結(jié)構(gòu)卻是宋代原物?？梢哉f(shuō)，這座始建于宋天圣年間，經(jīng)歷過(guò)太原歷史上6次5.5級(jí)以上地震的建筑，是古代建筑史上的一個(gè)奇跡。這一奇跡是由于我國(guó)古代聰明的建筑匠師們，將力學(xué)原理熟練地運(yùn)用到了建筑物的技藝上，使得這座近千年的建筑物成為堅(jiān)不可摧的整體。

圣母殿四周共有26根廊柱，這些柱子皆向內(nèi)傾斜，形成一定的側(cè)腳，從而增加了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。四角角柱顯著增高，而上檐柱尤甚，大殿前沿呈現(xiàn)出優(yōu)美的弧度。在建筑史上，這種做法稱之為“柱側(cè)腳”和“柱升起”，其從外觀上不僅給人以騰飛、飄逸的藝術(shù)美感，而且更主要的是降低了建筑物的重心，并使整體建筑的重心向內(nèi)傾斜，這樣一來(lái)，就增強(qiáng)了框架的剛性，而且可以對(duì)抗水平荷載，這種做法對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是很有幫助的，使得建筑物更加堅(jiān)實(shí)和穩(wěn)固。圣母殿建成后經(jīng)過(guò)數(shù)次大地震，雖有影響但主體無(wú)恙，與這種做法不無(wú)關(guān)系。特別令人驚訝的是，近年大翻修時(shí)，發(fā)現(xiàn)48個(gè)柱礎(chǔ)下并沒(méi)有進(jìn)行特別處理，整個(gè)大殿幾乎就是活放在懸翁山的半山腰，千年不變。這種高超的智慧和它的力學(xué)原理，以及防震抗震能力，實(shí)在值得現(xiàn)代建筑師們認(rèn)真研究、探討和借鑒。

圣母殿上的斗拱，其調(diào)配與形制復(fù)雜多變，昂形規(guī)則不一。斗拱是我國(guó)古建筑所獨(dú)具的特征，它的出現(xiàn)是由于工程上的需要，最初用以支撐梁枋，承托屋檐。以后逐漸應(yīng)用到構(gòu)架的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，成為整座大型建筑物結(jié)構(gòu)不可缺少的組成部分。它不僅美化建筑，而且可以減少立柱和橫梁之間的“切力”。它們就像一組一組的大彈簧安裝在梁枋立柱等重要部件的節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，眾多巨大的彈簧在相互聯(lián)結(jié)作用下，就像汽車減震器一樣起到變形消能的作用，“以柔克剛”地消減掉地震釋放出的一部分能量，從而發(fā)揮了它的抗震功能。通過(guò)這種巧妙的措施，以最小的代價(jià)，將強(qiáng)大的地震破壞力減少到最小程度，起到事半功倍的效果。

另外，圣母殿的屋頂為重檐歇山頂，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和大量的構(gòu)件，大大增加了屋頂乃至整個(gè)構(gòu)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(gòu)架的穩(wěn)定性。

同屬于晉祠三大國(guó)寶建筑之一的獻(xiàn)殿，是供奉圣母邑姜的享堂，創(chuàng)建于金大定八年(公元1168年)，中經(jīng)明萬(wàn)歷二十二年(公元1594年)修葺，1955年又用原料照原式翻修，基本上還保持著宋代建筑的風(fēng)格。“其梁架，只是在簡(jiǎn)單的四椽栿上放一層平梁，梁身簡(jiǎn)單輕巧，不弱不費(fèi)，故能經(jīng)久不壞，殿之四周均無(wú)墻壁，前后明間辟門，其余各間，在堅(jiān)厚的檻墻之上安直欞柵欄”，其柱子“升起”“側(cè)腳”明顯，增強(qiáng)了框架整體的剛性，整個(gè)建筑顯得寬敞明亮。其在結(jié)構(gòu)上采取以柱子承重的木構(gòu)架形式，而不是以墻承重，這是中國(guó)古代建筑同世界其他各系古代建筑主要以磚石墻為承重體系的重大區(qū)別之一，同時(shí)在抗震上也十分有利。獻(xiàn)殿全部結(jié)構(gòu)不用一根釘子，皆為卯榫而成，站在殿內(nèi)仰望殿頂，木條上下左右穿插，令人眼花繚亂。這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，甚至超越了當(dāng)代建筑框架、剛架結(jié)構(gòu)體。其生氣靈活的神韻以及比例協(xié)調(diào)的藝術(shù)性，無(wú)不令觀賞者賞心悅目。卯榫結(jié)構(gòu)是卯和榫的結(jié)合，卯是指在木構(gòu)件上挖的洞眼，榫是指在木構(gòu)件上留下的準(zhǔn)備插入卯的端頭，它是木件之間多與少、高與低、長(zhǎng)與短的巧妙組合，這種組合可有效地限制木件之間向各個(gè)方向的扭動(dòng)。木制榫卯技法的誕生最早起源于上古時(shí)期，通過(guò)中國(guó)歷代大木構(gòu)建筑系統(tǒng)的不斷實(shí)踐而逐漸走向成熟，并且得到創(chuàng)新和發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)類似于人的關(guān)節(jié)，兩根梁或柱上分別有榫頭和卯眼，互相咬合，連接在一起。卯榫的制作嚴(yán)密而不固定死，具有很高的柔韌度，其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，減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。當(dāng)?shù)卣饋?lái)的時(shí)候，無(wú)論是朝哪個(gè)方向搖晃，這種卯榫聯(lián)結(jié)都能承受這種形變。加以木材本身的彈性，留有活動(dòng)余地，即使由于地震的沖擊導(dǎo)致建筑物的位置變形，震后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的推移，也會(huì)逐漸地恢復(fù)原狀。

晉祠的建筑多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)，具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性，如“墻倒屋不塌”的功效。木材本身是一種自重輕、力學(xué)性能好的剛?cè)嵯嘁说牟牧?，木材的重量?jī)H為混凝土重量的1/4～1/5，相同體積的建筑物，結(jié)構(gòu)自重越小，受到的外力沖擊的作用也越小。而其柔性的連接，使得木結(jié)構(gòu)建筑具有良好的彈塑性能和一定程度的自我恢復(fù)能力，對(duì)于瞬間沖擊荷載和周期性的沖擊破壞有很強(qiáng)的抵抗能力，其結(jié)構(gòu)本身就能消減掉地震中的大量能量，從而減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。晉祠圣母殿在數(shù)次地震中均不同程度地受損，但主體結(jié)構(gòu)仍未倒塌，就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力的表現(xiàn)。

合理的幾何形平面和簡(jiǎn)單的體型，也是古代建筑工匠們用以提高建筑物抗震功能的一種巧妙做法?，F(xiàn)存的古代建筑物，平面和體型大多是簡(jiǎn)單的、規(guī)則的和對(duì)稱的，在單座建筑中，絕大多數(shù)的殿、堂、樓、閣是并不太狹隘的矩形、正方形、正六角形或正八角形，也有少數(shù)圓形的。在規(guī)整的建筑物的平面外廊中，也很注意均勻?qū)ΨQ。此種做法，使結(jié)構(gòu)各部位、各節(jié)點(diǎn)受力相對(duì)均衡，地震時(shí)各部分的震動(dòng)易于協(xié)調(diào)一致，不易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而造成破壞。晉祠圣母殿面闊七間，進(jìn)深六間，平面幾乎呈方形，并且“副階周匝”，即在殿身四周圍廊，這種抗震手法在晉祠圣母殿中得到了典型應(yīng)用。

古代的高層建筑物又是怎樣抗震的，我們以晉祠的舍利生生塔為例來(lái)看一下。晉祠的舍利生生塔創(chuàng)建于隋代開(kāi)皇年間，宋代重修，清乾隆十六年(公元1751年)重建，是一座平面八角七級(jí)琉璃樓閣式磚塔，這種造型的塔體本身就已具備了框架結(jié)構(gòu)的性能。它在建筑結(jié)構(gòu)上采用了我國(guó)傳統(tǒng)的仿木結(jié)構(gòu)做法，并由地宮、塔基、塔身和塔剎組成。塔基是一個(gè)高1 m的八角形磚砌基臺(tái)，塔身為八角形，塔剎為寶瓶式，全塔高約38 m。塔的每一層都采用仿木結(jié)構(gòu)磚砌斗拱鋪?zhàn)?。其?nèi)部結(jié)構(gòu)為空筒型，梯級(jí)在塔內(nèi)旋繞而上，不僅開(kāi)闊了中心空間的利用面積，同時(shí)大大增強(qiáng)了地震所造成的折彎剪力度。塔每層收分，向內(nèi)縮小，形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀，保證了地震作用下建筑的整體穩(wěn)定性，實(shí)踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。其塔內(nèi)階梯，除第二層為26級(jí)，與第一層相比減少兩級(jí)外，其余皆遞減一級(jí)，各層階數(shù)分別為28級(jí)，26級(jí)，25級(jí)，24級(jí)，23級(jí)，22級(jí)。這樣處理使得塔的重心下降，非常的科學(xué)，既可抗風(fēng)，又能抗震。

綜上所述，可見(jiàn)我國(guó)古代的能工巧匠們?cè)陂L(zhǎng)期的勞動(dòng)實(shí)踐中，積累了豐富的抗震經(jīng)驗(yàn)，將力學(xué)原理嫻熟地運(yùn)用到建筑工程的施工上，大到建筑群體的布局處理，小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計(jì)，處處展示出其在抗震設(shè)計(jì)方面的智慧和匠心，從而創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)巧奪天工的驚人之作。這些作品不僅令我們感到驚奇，更令我們無(wú)比自豪。

[1] 梁思成.中國(guó)建筑史[M].天津：百花文藝出版社，1998.

[2] 劉永徳.晉祠風(fēng)光[M].太原：山西人民出版社，1957.

[3] 劉大鵬.晉祠志[M].太原：山西人民出版社，1985.

The seismic techniques of ancient architecture from the Jinci building

LIU Xian-zhi

(JinciMuseum,Taiyuan030025,China)

Taking the Jinci ancient building as the research object, through the analysis and discussion on Jinci main shrine, Xiandian and Sarira living tower and other building structure, summarized the used mechanics principle and layout ways of ancient buildings in seismic design, had great significance to domestic building seismic design research.

ancient architecture, structure, seismic, layout

1009-6825(2014)34-0042-03

2014-09-25

劉仙芝(1970- )，女，館員

TU352.11

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