淺談古建筑中木結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造原理
本文對我國傳統(tǒng)古建筑的木結(jié)構(gòu)特點，并通過對建筑物的體型、選材、結(jié)點等構(gòu)造的分析，探討并闡述了我國古建筑的抗震原理。
1. 前言
我國的傳統(tǒng)古建筑多數(shù)以磚瓦和木材作為主要的建筑材料，其中木構(gòu)架結(jié)構(gòu)基本是主要的結(jié)構(gòu)形式。一般采用眾多的木構(gòu)件進行組合，形成一定的框架體系，柱網(wǎng)平面間采用均衡對稱形式，形成格局。結(jié)構(gòu)一般由橫梁、立柱、順檁搭建而成，不同構(gòu)件間的結(jié)點往往通過榫卯來吻合，從而構(gòu)成彈性框架。結(jié)構(gòu)體系又可以具體分為穿斗、抬梁和干闌式三類。木結(jié)構(gòu)建筑在防震抗震方面有很大優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)與今天的框架結(jié)構(gòu)相類似，借由木材本身的特點及斗栱與榫卯存在伸縮余地等特點，能夠在一定程度上減弱地震造成的危害，“墻倒屋不塌”正是對這種結(jié)構(gòu)特點的形象說明。
2. 古建筑木結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造與原理
我國的古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，在構(gòu)造上主要由基礎(chǔ)、柱子、斗拱、梁架、屋頂?shù)炔糠纸M成，其中，梁與柱采取榫卯節(jié)點形式連接，千百年來，它們歷經(jīng)了各種地震災(zāi)害而保持完好，體現(xiàn)出良好的抗震性能[1]。著名的義縣奉國寺大殿，為我國現(xiàn)存最大的單層佛殿建筑，據(jù)寺內(nèi)元、明、清碑刻記錄，曾“經(jīng)庚寅地震”（1920年武平6.7級地震）“無所壞”。1975年海城地震，義縣處于主震斷面線上，奉國寺山門、無梁殿等清代小型建筑多受損害，而大殿基本安然無恙[2]。海城地震，關(guān)帝廟與三學(xué)寺等一些古建筑只是瓦頂和外墻部門出現(xiàn)了輕微的損傷，建筑物整體基本完整。1976年，我國發(fā)生了唐山大地之，其中薊縣烈度為八度，獨樂寺中矮小的建筑均發(fā)生了墻倒屋塌的現(xiàn)象，但遼代公元九八四年修建的高達二十余米的山門與觀音閣卻完整無損，這兩座建筑皆為木結(jié)構(gòu)。這些都充分說明了我國木結(jié)構(gòu)式古建筑在抗震方面的性能是十分優(yōu)越的。
2.1 古建筑體型上的抗震特點
建筑物平立面布置需要滿足“規(guī)則、對稱、剛度與質(zhì)量變化均勻”的特點才能夠很好地實現(xiàn)抗震效果。剛度和質(zhì)量變化均衡有兩方面涵義，第一是指在結(jié)構(gòu)平面的方向上，傳統(tǒng)建筑的質(zhì)量中心和結(jié)構(gòu)剛度中心相對一致，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)基本不會使離剛度中心較遠的構(gòu)件產(chǎn)生嚴重震害，另外，結(jié)構(gòu)立面上，沿結(jié)構(gòu)的高度方向，剛度與結(jié)構(gòu)質(zhì)量不會發(fā)生懸殊變化，不會產(chǎn)生薄弱層，所以就不會造成集中的變形，也就不會加速結(jié)構(gòu)倒塌。我國的古建筑在平面布局上具有相對簡明、清晰的組織規(guī)律，從整體上看，重要的建筑一般都實施均衡對稱式，將庭院作為單元，沿橫軸線與縱軸線涉及，借助建筑群體之間的有機組合與烘托，不僅能夠使主體建筑看起來更為壯麗宏偉，也能夠有效地減輕地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這是因為建筑物形狀的規(guī)則性使得地震發(fā)生時，建筑物各部分震動相對協(xié)調(diào)一致，不至于出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減弱了地震對建筑物造成的影響。
2.2 古建筑在選材和節(jié)點構(gòu)造上的抗震特點
木結(jié)構(gòu)構(gòu)架的整體剛性比較好，雖然木材容易在外力作用發(fā)生變形，但由于其本身較強的柔性特點，所以仍然具備了一定的恢復(fù)變形能力，這個特點對抗震來說十分重要。將木榫作為柔性建筑的結(jié)點而成組的斗栱，其橫縱構(gòu)件相連，恰好形成彈性節(jié)點，當?shù)卣鸢l(fā)生時，斗栱恰似大彈簧，劇烈顛簸的過程中可以抵消掉很大部分地震的能量，從而減輕建筑物受損程度。榫卯構(gòu)造技術(shù)是我國傳統(tǒng)木建筑普遍采用的技術(shù)手段，體現(xiàn)了我國建筑“以柔克剛，順應(yīng)自然”的思想哲理。這種方式充分利用了木材本身的柔性與彈性，如同動物骨骼與關(guān)節(jié)一樣可以進行一定的扭轉(zhuǎn)與伸縮，從而增強了建筑物的抗震性能。
此外，古建筑采用地栿和額枋將柱網(wǎng)連成整體，也能很好地加固建筑物的整體剛度。發(fā)生地震時，柱腳下插在柱礎(chǔ)內(nèi)的管腳榫能夠有效地固定柱身，防止柱腳滑動，抵制擠壓與摩擦帶來的沖擊，減輕地震能量。很多明清建筑的基礎(chǔ)工程往往更出色。一般采用在仿佛基坑下打入木樁，再用碎石進行嵌檔，并加以灌漿砸實，最后夯筑一些小夯灰土，并壘砌柱礎(chǔ)石，磚砌攔土墻，磚石包砌臺幫。次來的地基下部都是柔性結(jié)構(gòu)，而上部則是剛性結(jié)構(gòu)，就像是彈簧支座上放了剛性物體，能夠極大緩沖地震帶來的能量，有效抗震。還有一部分做法，諸如在檐柱上加入側(cè)腳與生起，使建筑物整體性和重心更為穩(wěn)定，同時強化了垂直構(gòu)件與水平構(gòu)件的結(jié)合。這種做法使我國古建筑經(jīng)歷了多次地震的考驗與沖擊，建筑整體依然能夠保持良好形態(tài)，顯示了我國的古代人民在建筑物抗震方面的卓越才智。
2.3 古建筑在抗震上的多層結(jié)構(gòu)特點
多層木造結(jié)構(gòu)往往在層與層的過渡上采用纏柱造與叉柱造兩種方式，叉柱造指的是將上層的檐柱底部設(shè)置一個獅子開口，從而插入平坐柱的斗栱內(nèi)，平坐柱進一步叉立于下檐柱的斗栱上，向內(nèi)退進，長度為半柱徑。比如河北正定的龍興寺，宋代的轉(zhuǎn)輪藏殿和薊縣的獨樂寺與遼代的觀音閣，這種構(gòu)造相對簡單，省事，且不用另增構(gòu)建。其缺點主要在柱腳開口上，一般會影響柱體的強度，使里面因為收進比較少，造成外觀上不夠穩(wěn)定。纏柱造見于《法式》，指的是在通過在柱端增加斜梁的方式，將上層柱立在梁上，這種方式無論在外觀還是結(jié)構(gòu)上都相對妥善，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也比較好，但是需要增加一個梁，腳步的每面還要在增加一組斗栱和附斛。此外，古人還會在結(jié)構(gòu)層之中，加入一定的平坐層，使得每層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與整體性得到強化，從而更好地抵抗地震的沖擊。
3.結(jié)語
大量震害情況說明了我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)式建筑雖然會在地震中產(chǎn)生大幅度搖晃，但往往整體架構(gòu)并不會遭到破壞，存在搖而不倒，晃而不散的特點，地震結(jié)束后，能夠很快恢復(fù)原狀，即使出現(xiàn)墻體塌陷情況也不會影響結(jié)構(gòu)安全。雖然古人對木結(jié)構(gòu)建筑物并未留下更多技術(shù)資料，但通過宋代的“營造法式”與清代的“營造則例”以及其他相關(guān)的文字材料與實際案例中，我們依然可以窺見古人在抗震方面的卓越智慧。這種高度有機結(jié)構(gòu)體系所體現(xiàn)的抗震觀念是更多的偏重于“摩擦耗能，以柔克剛，滑移防震”，這種觀念和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)所采用的“加強結(jié)構(gòu)抗震”原則十分不同，對于現(xiàn)代建筑物的抗震研究具有十分鮮明的啟示意義。
