中國木構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特性分析

陶瑞峰 白佳怡

東北電力大學(xué)

1 中國木構(gòu)古建筑的材料選擇

1.1 選用木材的原因

首先，從文化角度來看，“木”在中國古代代表著春天、東方，寓意萬物復(fù)蘇、春意盎然，象征著生命的力量。在古人思想中，應(yīng)居住在有生命的環(huán)境中與之“共生”，故自古以來人們就居住在土質(zhì)的臺(tái)基與木質(zhì)的建筑空間之中。其次，從建筑設(shè)計(jì)理念角度來看，老子將“室”建筑和“車”、“器”并列，并強(qiáng)調(diào)“當(dāng)其無，有某之用”，認(rèn)為建筑是以人居住為主要目，更注重空間功能布置的合理性與陰陽五行的調(diào)和，土木作為中性的材質(zhì)，是最適宜人類居住的，從現(xiàn)代研究角度來看，木材可以給人置身于自然之中的感受，木材所具有的溫暖、柔和的感覺會(huì)使人身心更加平靜。再次，從選材觀念角度來看，中國文化始終強(qiáng)調(diào)節(jié)儉，任何的華堂美廈、奢侈浪費(fèi)的行為都是不被提倡的，所以木材所具有的易于加工、運(yùn)輸、施工與成本較低的特質(zhì)，使得它成為了中國建筑選材的歷史必然。

1.2 木材的特性

在木材的分類上，木材選用自喬木中的針葉樹與闊葉樹，針葉樹由于其樹干直、樹木高大、紋理平順、木質(zhì)較軟、不易變形、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的特性，被廣泛運(yùn)用于承重構(gòu)件中，常見的有杉木、松木等。闊葉樹由于樹木較矮、木質(zhì)密度高、加工困難等特性，更適用于室內(nèi)裝修裝飾，常見的有榆木、柞木、核桃木等。木材的彈性和各向異性是其主要的物理特性，其順紋抗拉抗壓能力較強(qiáng)，但橫紋則較弱，在古建遺址中，柱構(gòu)件的承載能力幾乎不會(huì)出現(xiàn)大問題，但梁式構(gòu)件則會(huì)出現(xiàn)問題，由于木材的具有良好的彈性，將其修復(fù)的概率較高。木材易于糟朽和易毀于火，早期柱根埋于地表土層以下，由于長(zhǎng)期不通風(fēng)和其纖維毛細(xì)管作用下，柱根部分極易糟朽，故后來將建造技藝進(jìn)行改良，將柱根置于礎(chǔ)石之上,且礎(chǔ)石頂面高于室內(nèi)地坪，即使這樣也未完全解決柱根糟朽的問題。木材易毀于火，也是其不可避免的特性，而古建中正脊兩端的鴉吻也代表了古人對(duì)消除房屋火災(zāi)的美好愿景。

2 中國木構(gòu)古建筑的構(gòu)造

2.1 木構(gòu)架的基本形式

中國傳統(tǒng)建筑以木構(gòu)架作為其主要的結(jié)構(gòu)形式，采用均衡對(duì)稱的原則，主要分為抬梁式、穿斗式、干闌式三種結(jié)構(gòu)體系。橫梁、立柱、順凜等作為主要構(gòu)件，承重構(gòu)件與圍護(hù)構(gòu)件功能區(qū)分明確。斗拱與榫卯結(jié)構(gòu)預(yù)留了伸縮范圍，平立面布置有著對(duì)稱、規(guī)則、質(zhì)量與剛度變化均勻等建造原則，形狀規(guī)則的建筑形制使得在地震時(shí)各部分具有一致性，剛度與質(zhì)量中心相一致，建筑物結(jié)構(gòu)剛度沒有突然削弱的薄弱層，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不會(huì)造成其變形集中，使得墻倒屋不塌。庭院整體布局也沿用了對(duì)稱的形式，沿軸線對(duì)稱布置，這種方式亦可突出主體建筑。

（1）抬梁式。抬梁式于西周末年形成雛形，此構(gòu)架形式沿進(jìn)深方向在石礎(chǔ)上立柱，在柱上架梁，用橫向的仿將柱的上端相連，最上層梁上立脊瓜柱，在相鄰兩道屋架之間，于各層梁的外端架擦，在兩層擦之間架椽，承受屋面的重量，形成屋面呈下凹弧面的兩坡屋頂骨架。又將橫向的各福排架相連，增強(qiáng)了整個(gè)房屋構(gòu)架的剛度與穩(wěn)定性，同時(shí)將兩個(gè)屋架間的室內(nèi)空間稱為“間”，一座建筑通常由二、三間至若干間組成。

（2）穿斗式。穿斗式也是沿進(jìn)深方向立柱，但是柱設(shè)立的較密，盡量以豎向的木柱來取代橫向的木梁，采用檁柱支撐體系，分為疏檁和密檁兩種形式，其中疏檁檁距較疏，檁子直接置于落地柱上，全部靠檁柱支撐，穿仿只起拉結(jié)聯(lián)系作用，不受彎。密檁檁距較密，間距大約只有厘米寬，一部分柱子落地，一部分不落地，不落地的部分插在下層的穿仿上，是不完全的檁柱支撐，由部分的穿仿承載瓜柱的荷載，穿仿起到拉結(jié)和受彎的雙重作用，跨度小故受力不高。穿斗式可以提高構(gòu)架的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了抗地震抗風(fēng)暴的能力，但是較小的柱間跨度不能適應(yīng)大型殿宇的空間需求。

（3）井干式。井干式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于商朝之前，采用原木或裁切后的橫斷面木料，層層向上壘疊，轉(zhuǎn)角處木料端部交叉咬合，形成房屋的四壁，在左右兩側(cè)壁上立矮柱與承脊檁構(gòu)成房屋的維護(hù)壁體，這種結(jié)構(gòu)可以直接建在地面上，或像穿斗式一樣建于干闌式木架上。

2.2 地基與基礎(chǔ)

原始社會(huì)的仰韻文化時(shí)期就開始以扁卵石來擴(kuò)大立柱基礎(chǔ)，將木立柱在途中淺埋，單個(gè)的立柱依靠上部與梁等構(gòu)件連接成空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在夏商西周時(shí)期，立柱經(jīng)歷了由深埋到淺埋。唐宋以后，基礎(chǔ)淺埋露明，與立柱底部水平隔開，此法已被編入營造法式。清朝的《工程做法則例》中以檁的數(shù)量來規(guī)定埋頭深，以荷載條件來確定礎(chǔ)石埋深、臺(tái)基高度與窮土厚度。組成臺(tái)基石作的主要構(gòu)件為“柱頂石、階條石、角柱石、須彌座、踏垛石”，臺(tái)基可以分成普通臺(tái)基、須彌座臺(tái)基、帶勾欄臺(tái)基和復(fù)合型臺(tái)基，僅在大式建筑上使用須彌座臺(tái)基。根據(jù)不同部位的臺(tái)基安裝不同的石材構(gòu)件，一般在臺(tái)基中間安裝踏垛石，石材或磚包砌在臺(tái)基四角處，安置斷面為方形的埋頭石角柱石，沿臺(tái)邊安置長(zhǎng)條形的階條石、壓面石、牙欄石和階沿石，在柱腳下端安置柱頂石、柱礎(chǔ)或者碟石，以承托柱子傳遞的全部荷載并保護(hù)柱子。

2.3 榫卯

我國古代木構(gòu)建筑具有獨(dú)特的連接方式——榫卯，具有良好的降低側(cè)向推力的作用，在構(gòu)件上挖出的洞眼被稱為“卯”，木構(gòu)件上裁出的用來插入“卯”的部分被稱之為“榫”。榫卯分為直榫和燕尾榫，直榫的端部為矩形，明清時(shí)期在下面布置了雀替或替木，增強(qiáng)連接性能與美感。燕尾榫又被稱為大頭榫、銀徒榫，常見于柱頂，榫頭根部比端部窄，上部比下部大，防脫榫功能強(qiáng)，但是根部斷面小抗剪能力較弱，帶袖肩的出現(xiàn)可以增大榫頭根部斷面大小，提高連接功能。

2.4 斗拱

斗拱由商代的擎檐柱演化而來，殷商時(shí)代出現(xiàn)櫨斗，唐至元代，立柱頂部斗拱所承托的梁多插入斗拱之中，與梁架組成整體，結(jié)構(gòu)與正側(cè)兩面的梁組合成井字格的結(jié)構(gòu)，斗拱成為交叉處的加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，提升了穩(wěn)定性。明清時(shí)期柱頭開始采用大、小額仿和隨梁枋，斗拱的尺寸不斷縮小，間距加密，小巧而精美。其作用是豎向傳遞荷載，在一定的荷載作用下斗拱會(huì)產(chǎn)生塑性，具有減震耗能的作用，比榫卯結(jié)構(gòu)減震耗能力更強(qiáng)。

2.5 側(cè)腳與生起

側(cè)腳是外檐柱在安裝時(shí)，柱腳向外側(cè)偏移柱頂向內(nèi)側(cè)偏移的適度傾斜的做法，前后外檐柱向內(nèi)傾斜柱高的千分之一，兩山山柱向內(nèi)傾斜千分之八，角柱向兩個(gè)方向都有傾斜，這樣的做法可以增強(qiáng)建筑的穩(wěn)定性。生起是柱子由明間兩側(cè)逐漸升高的做法，中心的兩個(gè)柱子不生起，次間柱升高二寸，其余柱子由內(nèi)而外依次遞增，可以使建筑檐口和屋脊形成上翹的曲線，提升美觀性。但是在明清時(shí)期開始，側(cè)腳與生起一般不再使用。

3 木構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)作用分析

木構(gòu)古建筑的整體結(jié)構(gòu)作用一直是令人感興趣的問題，其構(gòu)架類似于現(xiàn)代建筑中的排架、框架和剛架。地震運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多種震波，首先是豎向垂直振動(dòng)波，它先將建筑物水平斷開，水平波出現(xiàn)后造成更大范圍更大破壞力的傷害，再者就是旋轉(zhuǎn)地震波，產(chǎn)生扭力，對(duì)于進(jìn)深小、間數(shù)多、平面布置不規(guī)律的房屋顯示出較強(qiáng)的破壞力。

建筑布局的長(zhǎng)寬比揭示了構(gòu)架是如何抵抗橫向地震力的，木構(gòu)古建筑的長(zhǎng)寬比多為1：1.5，均在1：1.9左右，良好的長(zhǎng)寬比加上規(guī)律的平面布局，本身就是抵御地震的良好條件。外形越接近規(guī)律的長(zhǎng)方形，橫向內(nèi)部剛度就越大，越不容易發(fā)生平面扭曲，作用力平均分配給每一個(gè)柱子，鋪?zhàn)鲗雍臀萆w幾乎無法承擔(dān)抵抗力，將絕大多數(shù)的力分配給山面柱和柱間墻，所以山面柱和柱間墻存在的意義類似于現(xiàn)代的剪力墻。木材即使在短暫外力作用下產(chǎn)生變形,由于其物理彈性使得在外力消失后又會(huì)恢復(fù)原本的形態(tài)，進(jìn)一步增加了建筑的抗震能力。

垂直波可以輕松地使抬梁式構(gòu)架的各個(gè)水平層脫開，卻又能快速合攏，幾乎無法對(duì)建筑造成傷害。穿斗式梁柱長(zhǎng)短穿插，袱端作樺入柱，編織交叉，可以抵抗垂直波。建筑的柱腳不被固定，依靠摩擦力保持建筑的穩(wěn)定，輔以“生起”、“收分”、“側(cè)腳”增強(qiáng)穩(wěn)定性，圈梁也可以增強(qiáng)整體性。

各平面交接處，例如閣樓暗層的斜柱、檐柱頭周和內(nèi)柱的闌額、柱頭卯樺處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角彎矩等作為加固措施保證建筑的整體性。木構(gòu)古建筑設(shè)計(jì)兼顧了力學(xué)與構(gòu)造的合理性，大到構(gòu)件的布置，小到節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，無不精心雕琢。

4 結(jié)語

中國木構(gòu)建筑經(jīng)過了幾千年的演變，結(jié)構(gòu)愈加合理，抵御災(zāi)難的技術(shù)越來越趨于成熟，更由簡(jiǎn)單的功能需求演化成了功能與藝術(shù)的集合體。在驚嘆古人精湛的建筑技藝的同時(shí)，我們更應(yīng)該學(xué)習(xí)他們的大國工匠精神，數(shù)代人傳承與發(fā)揚(yáng)，千年磨一劍，永不停歇。