古建筑柱與基礎(chǔ)連接探析

【摘 要】古建筑是我國燦爛文明的一種文化符號；現(xiàn)存古建筑中既有穿越千年的應(yīng)縣木塔等大型木作建筑，也有喬家大院等民間小式建筑；這些建筑有的能保存千年而，甚至上部變形已經(jīng)十分嚴(yán)重，卻依然不倒，這其中有榫卯節(jié)點連接的作用，更重要的是柱礎(chǔ)的獨特連接形式，能有效的抵抗地震作用。通過對古建筑柱與基礎(chǔ)的連接探究古建筑能穿越千年的原因，為仿古建筑設(shè)計建造及古建筑修復(fù)加固提供一種新思考。

【關(guān)鍵詞】古建筑; 基礎(chǔ)傳力; 抗震性能; 柱礎(chǔ)

【中圖分類號】TU471【文獻標(biāo)志碼】A

0 引言

古建筑作為中華傳統(tǒng)建筑的典范，因為建筑材料的局限性，一般采用木構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)體系，雖然材料比較普通，也創(chuàng)造出許多優(yōu)秀杰出的建筑，如歷經(jīng)40多次地震和12發(fā)炮彈襲擊仍然不倒的應(yīng)縣木塔，規(guī)模宏大的故宮建筑群等等，這些都是我國古代工匠的匠心杰作。其中也蘊含著許多現(xiàn)代工程技術(shù)理論；也能為現(xiàn)代建筑設(shè)計提供一些新思路。

1 古建筑介紹

根據(jù)考古發(fā)現(xiàn)與歷史資料有據(jù)可查的古建筑可以追溯到原始社會，那時主要是穴居與巢居。到夏、商、周時期，根據(jù)安陽殷墟商朝的宮殿遺址可發(fā)現(xiàn)，那時候的人們已經(jīng)發(fā)明了夯土技術(shù)，用以加強房屋的地基與基礎(chǔ)；這種夯土技術(shù)可以加強地基承載力，時至今日仍有部分地區(qū)采用這種方法處理地基。

春秋時期出現(xiàn)了我國歷史上著名建筑大師魯班，因其杰出的建造技藝被后人奉為我國建筑工匠的祖師爺，我國當(dāng)代的魯班獎也就是為了紀(jì)念此人；根據(jù)相關(guān)文獻記載這個時期建筑已經(jīng)出現(xiàn)“重屋”，也就是多層建筑房屋，這表明最遲在春秋時期我國古人的建造技術(shù)已經(jīng)進入多層時代。

秦漢時期，始皇帝統(tǒng)一六國后大興土木，集天下財富為其修建的宮殿、陵寢和修建長城，以及當(dāng)時的“厚葬”風(fēng)氣，急需要更好的建筑材料，一種燒制的建筑材料“秦磚”“漢瓦”應(yīng)運而生；這些耐久性和耐腐蝕性更好的材料使得秦漢時期的建筑基礎(chǔ)及陵寢能穿越千年，直至今日能依然存在。雙額枋及榫卯連接的梁柱體系也產(chǎn)生與這個時期，再加上抬梁式、穿斗式及密梁平頂式等木構(gòu)架的相續(xù)出現(xiàn)，使其建筑有更寬和更高的內(nèi)部空間，尤其是采用抬梁式的一些的官式建筑，使建筑造型更加大氣輝宏。

至唐、宋時期，建筑造型及建造工藝日趨完善，已經(jīng)達到十分完善的程度，其中最具中國古建筑特色的斗拱、榫卯連接技術(shù)建造技藝已經(jīng)十分成熟；出現(xiàn)了更多的專業(yè)的工種和世代相傳的專業(yè)工匠；在這種背景下出現(xiàn)了北宋李誡所編《營造法式》，這部我國官方頒布的第一部集規(guī)劃、設(shè)計、用材、制作工藝、營造方法于一體的土木建筑“國家規(guī)范”，總結(jié)了我國幾千年以來的建筑設(shè)計理念、設(shè)計思想與制作方法、制作工藝與營造技術(shù)，為我國古代建筑建造樣式及規(guī)范定下了基本基調(diào)。

元、明、清時期建筑在《營造法式》（圖1）的指導(dǎo)下，加上更多工匠、工程經(jīng)驗的積累，使得建筑建造工藝與理念得到了進一步的發(fā)展和完善；在此背景下，清工部頒布的《工程做法則例》（圖2）應(yīng)運而生；則列中出了27種常用的典型官式建筑范例，使官方的指導(dǎo)作用更為具體化和規(guī)范化，也為當(dāng)時及以后的建筑建造提供了更全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量保證，促進了當(dāng)時建筑行業(yè)的發(fā)展。

近現(xiàn)代以來，隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展和人們對建筑用地及耐久性、人工費用、綜合造價等等的綜合考慮，主流建筑形式已經(jīng)基本上都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)代建筑。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們對傳統(tǒng)文化的重視，古建筑以其獨特的建筑造型，吸引了一批人對其的熱愛與研究；研究用新材料建造古建筑造型建筑的可能性，隨即出現(xiàn)了一批采用新材料和新的力學(xué)模型建造的仿古建筑，為我國古建筑的傳承與發(fā)展帶來了新的契機。

2 古建筑柱與基礎(chǔ)連接

2.1 連接形式及演變過程

臺基層相當(dāng)于現(xiàn)代建筑的地基基礎(chǔ)。他將上部屋面梁柱傳來的荷載傳遞至地基的持力層。先秦時期，由于建筑技術(shù)及建造理念不高，一般采用木柱直接買入土中，在柱底放置扁平自然石塊，石塊有一定厚度用來滿足柱沖切，石塊下面為夯土或碎石塊等持力層（圖3）；這種做法因為木柱部分埋入土中，容易受潮腐朽與蟲蛀侵蝕等，耐久性很差，嚴(yán)重影響建筑使用壽命。

進入漢朝以后，柱礎(chǔ)（柱礎(chǔ)用堅硬石料制作，故稱為礎(chǔ)石。礎(chǔ)石一般加工成光滑的平面，光滑似鏡，也稱為“古鏡”或者“鼓鏡”）基本上全部變成平頂面明礎(chǔ)（圖4）。這樣木柱就不會與土接觸，能防止雨水浸入，保持木柱柱根的干燥，進而可以防止柱根腐朽。臺基高出地面，也使得建筑平面尺寸會大于建筑外墻的長度和寬度，抬高的建筑四周墻體及屋內(nèi)地面會使得建筑地面及四周墻體不會受到雨水的侵蝕，可以防潮、保持建筑物的整體穩(wěn)固；同時臺基越高也能越能顯示建筑物的宏偉氣勢，進而能體現(xiàn)出主人的身份與地位。

早期的礎(chǔ)石頂面比較粗糙，到了宋朝以后，其表面已經(jīng)被打磨得非常平整、光滑。建筑物等級越高，礎(chǔ)石頂面被打磨得越是光滑，如故宮祈年殿等高等級宮殿建筑的“古鏡”真的是光滑如鏡。也有將柱制成管腳榫或套頂榫的，分別將其插入柱礎(chǔ)的“海眼”或“透眼”中（圖4）。管腳榫的榫頭很小，主要起到定位作用，保證柱的定位準(zhǔn)確。套頂榫為將榫頭插入透眼較深，榫頭截面也比較大，能承受一定的彎矩與水平推力，類似于剛接，能傳遞部分彎矩；帶來的問題就是柱根及柱頂彎矩較大，而木柱的抗彎能力又比較差，就成為整個構(gòu)架體系中最薄弱部位。 因為這種體系在工程實際中容易出現(xiàn)柱根折斷，所以在后期慢慢被淘汰，這也是宋朝以后的建筑很少看到這種連接形式的原因。

2.2 受力分析

按照建筑結(jié)構(gòu)的傳力途徑，樓板及屋面荷載傳遞到梁，梁傳遞到柱，柱傳遞到基礎(chǔ)，基礎(chǔ)承擔(dān)著幾乎全部建筑上部荷載；基礎(chǔ)作成比柱大的礎(chǔ)石，能增大基礎(chǔ)截面面積，減小基礎(chǔ)底部壓力；建筑梁柱為木制材料，門窗為鏤空雕花減小建筑總重量，也可以建筑柱底壓力；柱下土體進行夯實或者采用碎石能提高地基土的抗力，這樣能使建筑承載力滿足要求。

地基承載力計算公式為式（1）。

pk≤fa，pk=Fk+GkA（1）

礎(chǔ)石有一定厚度，根據(jù)獨立基礎(chǔ)受沖切承載力計算公式為式（2）。

Fl≤0.7βhpftamh0

am=（at+ab）/2 Fl=pjAl（2）

礎(chǔ)石的厚度越大抵抗沖切的能力越強，能保證柱礎(chǔ)不會被剪斷，保證建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全；因此古建筑中礎(chǔ)石都選用有一定厚度且比較堅硬的石材。

地震作用分為水平平地震力（按照底部剪力法）和豎向地震力（圖5）；古建筑梁柱為木材，門窗為木制雕花門窗，屋面為木屋架木檁條加小青瓦或琉璃瓦，自重較??；地震力和結(jié)構(gòu)自重成正比關(guān)系，減小自重可以減小地震剪力；進而能抵抗更強的地震作用。

水平地震剪力計算式為式（3）。

FEk=α1Geq

Fi=GiHi∑nj=1FEk（1-δn）（i=1，2，…n）（3）

豎向地震剪力計算式為式（4）。

FEvk=αvmaxGeq

Fvi=GiHi∑GjHjFEvk（4）

隔震層在罕遇地震下的水平剪力計算式為式（5）。

Vc=λsα1（ζeq）G（5）

木柱放置于礎(chǔ)石之上是一種比較典型的摩擦隔震裝置與現(xiàn)代的隔震原理基本一致。這樣的支座，由于上部結(jié)構(gòu)的自重壓力產(chǎn)生的摩擦力，能承受一定的水平推力，在建筑物受到的水平力（水平地震作用、水平風(fēng)力等荷載總和）小于由上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力時，整體結(jié)構(gòu)保持受力平衡而穩(wěn)定。當(dāng)受到的水平力大于摩擦力的總和時將產(chǎn)生水平滑動。這樣能保證在地震作用及一般大風(fēng)的情況下，柱礎(chǔ)可視為不動鉸支座，可以保證木構(gòu)架的整體穩(wěn)定。當(dāng)遇到較大的地震（中震、大震）或較大風(fēng)荷載時，柱礎(chǔ)隔震的作用將起到應(yīng)有的作用，構(gòu)架體系將發(fā)生些許平移，而不會將更大的水平力傳遞至上部結(jié)構(gòu)，保證了上部結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定；上傳的部分水平力，因上部榫卯連接結(jié)構(gòu)，為半剛性連接，在水平荷載作用下，榫卯之間的微小位移能抵抗水平力，而不致建筑傾覆；這也是很多古建筑在遭遇較大地震作用下，出現(xiàn)“墻倒屋不塌”“柱根移位，而整體不垮塌”的原因。這與現(xiàn)代建筑中的隔振、減震技術(shù)作為防止中震、大震震害與特大風(fēng)災(zāi)的理論依據(jù)基本一致。

2.3 當(dāng)代仿古建筑主要處理方式

2.3.1 上部為全木結(jié)構(gòu)的建筑

基礎(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)，采用框架梁板柱作為臺基，抬升建筑一層地面，室內(nèi)外采用石砌臺階；一層板為鋼筋混凝土板，板下為半空防潮層；礎(chǔ)石放在鋼筋混凝土柱上方，木柱底部做成管腳榫用于定位或不做榫頭直接放入礎(chǔ)石上；礎(chǔ)石一般采用花崗石制作，表面拋光，由《營造法式》“材氣”或清工部《工程做法則例》斗口數(shù)量確定木柱尺寸，再根據(jù)木柱尺寸確定礎(chǔ)石厚度；管腳榫榫頭及海眼深度一般為50 mm，詳見圖6。

上部主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斗拱為木結(jié)構(gòu)外掛在梁或墻上的仿古建筑。基礎(chǔ)根據(jù)工程實際情況采用合適基礎(chǔ)形式（獨基或者筏板基礎(chǔ)），主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱與基礎(chǔ)采用剛性連接；礎(chǔ)石采用兩個半圓形花崗石拼接或者在柱澆注前預(yù)先放置好中間挖洞的礎(chǔ)石；礎(chǔ)石尺寸要根據(jù)建筑造型需要柱截面尺寸等綜合考驗，柱截面要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計承載力要求。

3 結(jié)束語

隨著時代的進步與發(fā)展，古建筑不僅沒有被淘汰，因其獨特的造型與優(yōu)美的線條，更是成為許多景區(qū)、公園、高端住宅等等建筑的首選；古籍中部分建筑因年代久遠或者戰(zhàn)亂許多已經(jīng)不復(fù)存在，隨著經(jīng)濟的發(fā)展人們希望按照有關(guān)書籍記載在原址上進行復(fù)原古代建筑；現(xiàn)存古代建筑中部分因年久失修，已經(jīng)成為危房等等，這些都需要認真研究及用心設(shè)計建造。現(xiàn)代各種各樣的建筑材料已經(jīng)不是古代那種只有木材石材能相比的了，但是仿古不能脫離古代建筑，只是采用現(xiàn)代更先進的理論，更優(yōu)質(zhì)的建材按照古建筑的建造工藝來做仿古建筑，這樣不僅是傳承古建筑的工藝，更是發(fā)展古建筑工藝。通過專研古建筑的建筑技藝，吸取其中精華并利用于現(xiàn)代建筑中，也是對古建筑的另一種傳承。

參考文獻

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［6］ 李百進.唐風(fēng)建筑營造［M］，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［作者簡介］許濤（1986—），男，碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。