中國(guó)古建筑如何抗震？

唐朝匠人

今年“4·20”四川雅安蘆山7級(jí)地震，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮髶p失，不僅水電氣中斷，房屋也幾乎全部受損，包括汶川地震后重建的建筑?？墒?，在蘆山地震震中龍門(mén)鄉(xiāng)古城村卻有一座百年老宅屹立不倒。該老宅建于清朝同治年間，上下兩層，木瓦結(jié)構(gòu)。與周?chē)穹炕虻顾?、或開(kāi)裂不同，老宅除了屋脊上掉下幾片瓦片外，其他幾乎完好無(wú)損。7戶(hù)張姓人家震后在這里照常生活。

為什么歷史悠久的古建筑仍能昂然屹立？這其中到底藏有怎樣的奧秘？讓我們看一看那些抗震的古建筑———

◎天津薊縣獨(dú)樂(lè)寺：經(jīng)歷28次地震不倒

在保存至今的眾多古代木結(jié)構(gòu)建筑中，天津薊縣的獨(dú)樂(lè)寺和山西應(yīng)縣木塔在抗震方面的表現(xiàn)尤其突出。獨(dú)樂(lè)寺位于天津薊縣盤(pán)山腳下，始建于唐代，寺內(nèi)的觀音閣和山門(mén)重建于遼代。自重建以后千余年來(lái)，獨(dú)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(jí)以上強(qiáng)震，“薊縣城官廨民舍無(wú)一幸存，觀音閣獨(dú)不圮。”1976年唐山大地震，薊縣城內(nèi)房屋倒塌不少，觀音閣及山門(mén)的木柱略有搖擺，觀音像胸部的鐵條被拉斷，但整個(gè)大木構(gòu)架安然無(wú)恙。

獨(dú)樂(lè)寺觀音閣之所以在多次強(qiáng)震中屹立不倒，主要是斗拱起了作用，觀音閣的斗拱設(shè)計(jì)十分巧妙，在沒(méi)有一顆釘子固定的情況下，通過(guò)7層木塊的相互交織，達(dá)到了相互連接固定的作用，這樣在地震出現(xiàn)時(shí)能及時(shí)減緩?fù)獠康膲毫?，具有很?qiáng)的抗震性能。

◎山西應(yīng)縣木塔：“明五暗四”剛?cè)峤Y(jié)合

應(yīng)縣木塔位于山西省應(yīng)縣城西北佛宮寺內(nèi)，建于遼清寧二年（1056年），應(yīng)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(yàn)。據(jù)史書(shū)記載，在木塔建成200多年之時(shí)，當(dāng)?shù)卦l(fā)生過(guò)6.5級(jí)大地震，余震連續(xù)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(jì)初軍閥混戰(zhàn)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(yīng)縣木塔之所以有如此強(qiáng)的抗震能力，其奧妙也在于獨(dú)特的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。木塔除了石頭基礎(chǔ)外，全部用松木和榆木建造，而且構(gòu)架中所有的關(guān)節(jié)點(diǎn)都是榫卯結(jié)合，具有一定的柔性；木塔從外表看是5層6檐，但每層都設(shè)有一暗層，明五暗四，實(shí)際是9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(nèi)柱之間和內(nèi)外角柱之間加設(shè)多種斜撐梁，加強(qiáng)了塔的結(jié)構(gòu)剛度。這樣一剛一柔，能有效抵御地震和炮彈的破壞力。

◎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(guó)建筑史是“木頭的歷史”，西方磚石結(jié)構(gòu)是剛性結(jié)構(gòu)建筑體系，中國(guó)土木結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)建筑體系，西方人以剛性的磚石結(jié)構(gòu)抵抗自然災(zāi)害，中國(guó)人以柔性的土木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。學(xué)者程建軍認(rèn)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(nèi)又有恢復(fù)變形的能力。木構(gòu)架中的所有節(jié)點(diǎn)又普遍使用榫卯結(jié)合，也具有一定的變形能力，再加上傳統(tǒng)木構(gòu)架都是采用均衡對(duì)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(jié)構(gòu)體系，當(dāng)?shù)卣鹨u來(lái)時(shí)，建筑便通過(guò)自身的變形消化地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞能量，從而在一定限度內(nèi)保障了建筑的安全性。

中國(guó)的傳統(tǒng)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，但其柔性的連接，又使得它具有相當(dāng)?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴?fù)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(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)。

◎絕招一：古建筑的臺(tái)基堪稱(chēng)整體浮筏式基礎(chǔ)

我國(guó)古代很少建造平面復(fù)雜的建筑，主要采用長(zhǎng)寬比小于2∶1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間（當(dāng)心間）最大，兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設(shè)計(jì)非常有利于抵抗地震的扭矩。

中國(guó)古代建筑一般由臺(tái)基、梁架、屋頂構(gòu)成，高等級(jí)的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個(gè)斗栱層。中國(guó)古代建筑的臺(tái)基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語(yǔ)言描述，堪稱(chēng)“整體浮筏式基礎(chǔ)”，好比是一艘大船載著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(chǔ)被剪切破壞，減少地震波對(duì)上部建筑的沖擊。中國(guó)傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造，在構(gòu)架的垂直方向上，形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀，實(shí)踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國(guó)古代傳統(tǒng)建筑最突出的形象特征之一，而且對(duì)提高建筑的抗震能力也做出過(guò)相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。形成大屋頂（尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)龋┬枰獜?fù)雜結(jié)構(gòu)和大量構(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。

◎絕招二：斗拱是古建筑抗震中的又一位重要“戰(zhàn)士”

斗拱是中國(guó)古代建筑抗震的又一位重要“戰(zhàn)士”，在地震時(shí)它像汽車(chē)的減震器一樣起著變形消能的作用。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(gòu)件，用在柱頭頂或額枋之上，起著承托梁架和出挑屋檐的作用。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，屋頂與柱之間的若干組內(nèi)外檐斗拱像彈簧層一樣起著變形消能的作用，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(qiáng)烈地震，比如山西大同的華嚴(yán)寺，在沒(méi)有斗拱的低等級(jí)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(duì)抗震的貢獻(xiàn)。斗拱不但能起到“減震器”的作用，而且被各種水平構(gòu)件連接起來(lái)的斗拱群能夠形成一個(gè)整體性很強(qiáng)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(jié)構(gòu)的安全性。

◎絕招三：榫卯是抗擊地震的關(guān)鍵

除了這些較顯著的手法外，中國(guó)古代傳統(tǒng)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(gòu)件連接方式，使得中國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

還有如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地獄以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個(gè)閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，用現(xiàn)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(qiáng)了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過(guò)闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強(qiáng)化了聯(lián)系，顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性；柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)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(dú)樂(lè)寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等，都在暗層中設(shè)有斜撐，大大強(qiáng)化了構(gòu)架對(duì)水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力；在外檐柱間設(shè)置較厚的墻體，起到現(xiàn)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(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計(jì)，處處都展示出古代工匠們?cè)诳拐鹪O(shè)計(jì)方面的知識(shí)和匠心。