紫禁城何以在222次地震中安然無恙

自1420年至今，北京發(fā)生了大大小小的地震222次，紫禁城均安然無恙。這其中的秘密是什么？周乾指著大殿檐柱根部的一塊不起眼的石頭說：“柱頂石是古代中國建筑裝飾藝術(shù)的一個(gè)縮影，關(guān)鍵時(shí)刻具有四兩撥千斤的效果。”

2021年11月3日，人民大會(huì)堂舉行了隆重的表彰大會(huì)，2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)揭曉。在獲獎(jiǎng)單位名單中，故宮博物院位列其中。據(jù)了解，不僅故宮博物院，整個(gè)文博行業(yè)都是首次獲此殊榮。為故宮博物院捧回這個(gè)大獎(jiǎng)的，是故宮學(xué)研究所研究館員周乾博士。那么，600多歲的紫禁城是如何和科技進(jìn)步聯(lián)系起來的呢？科技大獎(jiǎng)背后的紫禁城又有怎樣的秘密？

為故宮牽緣科技大獎(jiǎng)

榮獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的《中國城鎮(zhèn)建筑遺產(chǎn)多尺度保護(hù)理論、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》項(xiàng)目，是我國建筑學(xué)領(lǐng)域首次獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

故宮博物院得以參與這個(gè)項(xiàng)目，主要是科學(xué)評(píng)估了中國明清官式木構(gòu)古建筑的抗震機(jī)制，提出了榫卯節(jié)點(diǎn)加固的改進(jìn)方法，建立了明清官式木構(gòu)古建筑不同構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)整體精細(xì)化有限元分析模型，提升了我國木結(jié)構(gòu)文物的科學(xué)保護(hù)水平。

“這個(gè)大獎(jiǎng)對(duì)故宮博物院來說是一項(xiàng)榮譽(yù)，是對(duì)幾代故宮人科學(xué)保護(hù)古建筑的一種肯定?！敝芮f，“走，咱們?nèi)ヌ偷瞵F(xiàn)場看一下?！?/p>

在紫禁城外朝中軸線上，矗立著三座重要的建筑，由南至北分別是太和殿、中和殿、保和殿。其中，太和殿俗稱金鑾殿，是紫禁城內(nèi)規(guī)模最大、等級(jí)最高、體量最大的建筑，也是中國現(xiàn)存最大的木結(jié)構(gòu)宮殿建筑。這里是皇帝舉行重要儀式的地方，也是見證很多重要?dú)v史時(shí)刻的地方。

初進(jìn)宮遇上太和殿

“我很幸運(yùn)，一進(jìn)宮就遇上了太和殿?！敝芮哪卣f。更幸運(yùn)的是，周乾一進(jìn)宮就趕上了太和殿百年大修。1697至2003年，太和殿306年從未經(jīng)歷過大修。“古代工匠營建、修繕建筑都是采用口傳心授的方式，由師傅傳給徒弟，主要憑的是經(jīng)驗(yàn)，太和殿之前的幾次修繕也是如此。這次大修，領(lǐng)導(dǎo)要求我現(xiàn)場勘查后進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，再進(jìn)行安全評(píng)估，拿出修繕建議。”這段往事，周乾至今記憶猶新。

在這千載難逢的機(jī)遇中，周乾為太和殿進(jìn)行了一系列“體檢”，從安全角度為太和殿大修提供了重要的施工依據(jù)。2008年，歷時(shí)兩年的太和殿大修終于完工，周乾提出的修繕建議均被采納。今天我們看到的太和殿，就是此次大修后的樣子?！斑@次太和殿大修，反映了中國古建筑保護(hù)人員具備了對(duì)文物采取及時(shí)有效保護(hù)的能力和水平。”周乾自豪地說。

解碼古人抗震智慧

自1420年至今，北京發(fā)生了大大小小的地震222次，紫禁城均安然無恙。這其中的秘密是什么？

中國古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，怕火但抗震性能良好。木結(jié)構(gòu)古建具體是如何抗震減震的？能不能對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)分析？在勘查太和殿的過程中，周乾逐漸萌生了一個(gè)大膽的想法：用現(xiàn)代科學(xué)解碼古建秘密。

“這是柱頂石，也叫柱礎(chǔ)?！敝芮钢蟮铋苤康囊粔K不起眼的石頭說，“柱頂石是古代中國建筑裝飾藝術(shù)的一個(gè)縮影，其主要作用就是緩沖地震?！?/p>

木制的柱子在地面很容易霉變腐敗，所以墊上柱頂石，使柱子高于地面防止腐變。仔細(xì)看，柱子并不是插進(jìn)柱頂石中，而是平擺浮放在柱頂石上的，立柱與柱頂石并不存在拉接關(guān)系，柱頂石頂面面積大于木柱截面面積。在發(fā)生地震時(shí)，柱子根部反復(fù)在柱頂石表面滑動(dòng)，地震結(jié)束后可基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，緩沖了地震的破壞作用，具有四兩撥千斤的效果。

紫禁城的營建頗像搭積木，這種“搭建”的營建方式充分體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)木作的精巧和科學(xué)。

據(jù)了解，紫禁城的宮殿多為廡殿頂和歇山頂，碩大的屋頂披著橙黃色的琉璃瓦，和端莊大氣的紅墻共同組成華麗威嚴(yán)的皇家色調(diào)。在黃瓦紅墻之間，是青綠色的額枋以及鑲著金邊的斗拱。

一個(gè)個(gè)斗形和弓形的木構(gòu)件環(huán)環(huán)搭扣又層層疊加，緊密而有序，盡顯中國古建的繁復(fù)之美。“斗拱是集建筑力學(xué)和美學(xué)于一體的典型?！敝芮f，“斗拱的力學(xué)智慧精華在于它的抗震本領(lǐng)。斗拱由木材制成，很容易產(chǎn)生變形并可以迅速恢復(fù)原狀，斗拱在豎向由一層層構(gòu)件疊加起來，就像一層層彈簧連起來。發(fā)生地震時(shí)，斗拱像彈簧一樣反復(fù)做壓縮、復(fù)原運(yùn)動(dòng)，不斷削弱地震力。斗拱還能產(chǎn)生自動(dòng)恢復(fù)功能，猶如不倒翁，這是因?yàn)槎饭吧喜矿w積大但構(gòu)件單體截面面積小，下部體積小但構(gòu)件單體截面面積大。斗拱的重心位于斗拱的下方，在水平地震力的作用下，盡管產(chǎn)生搖擺但不易傾覆。”

周乾指著斗拱最底層的坐斗說：“坐斗截面面積最大，增大了斗拱與其底部的接觸面。斗拱這種彈簧特性，從科學(xué)的角度稱為‘隔震’?！彼蜗蟮卮蛄艘粋€(gè)比方，“就像霍元甲接西方拳師的拳頭，倒退幾步，以柔克剛?！?/p>

（《北京日報(bào)》）