以柔克剛 解密中國古代建築的抗震智慧(圖)

2011-07-19 19:10

與西方磚石結構建築的 "以剛克剛"不同，中國傳統的木結構建築在抵抗地震衝擊力時，採用的是"以柔克剛"的思維，通過種種巧妙的措施，其目標是以最小的代價，將強大的自然破壞力消彌至最小程度。中國許多古代建築都成功地經受過大地震的考驗，如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應縣木塔等建築，千百年來均經歷過多次地震仍然傲然屹立。當代建築設計以抵禦9度地震為目標，而中國傳統的木結構建築基本上能達到這個要求，而且其代價遠遠小於西方的"剛"，不能不讓人嘆服"柔"的力量。

中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機材料作為結構主材，而且發展形成了世界上歷史最悠久、持續時間最長、技術成熟度最高的結構體系——柔性的框架體系。中國木結構技術的發展，若僅從浙江余姚河姆渡遺址算起，迄今至少已有近7000年的歷史。作為對比，西方數千年中一直採用承重牆體系，直到工業革命以來、近現代科學技術發展之後，才意識到框架結構的優越性，遂開始大規模地普及，更值得玩味的是，這種框架體系仍然是"以剛克剛"。而中國的傳統木結構，具有框架結構的種種優越性，如"牆倒屋不塌"的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當的彈性和一定程度的自我恢復能力。這次汶川大地震中，許多文物建築的牆體均不同程度地受損，但主體結構仍未倒塌，就是這種柔性框架結構抗震能力的表現。

整體浮筏式基礎、斗栱、榫卯：抗擊地震的關鍵

中國古代很少建造平面複雜的建築，主要採用長寬比小於2:1的矩形。規則的平面形態和結構布局有利於抗震。傳統建築往往是中間的一間(當心間)最大，兩側的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設計非常有利於抵抗地震的扭矩。

中國古代建築一般由臺基、梁架、屋頂構成，高等級的建築在屋頂和樑柱之間還有一個斗栱層。中國古代建築的臺基用現代結構語言描述，堪稱 "整體浮筏式基礎"，好比是一艘大船載著建築漂浮在地震形成的"驚濤駭浪"中，能夠有效地避免建築的基礎被剪切破壞，減少地震波對上部建築的衝擊。中國傳統建築的梁架一般採用抬梁式構造，在構架的垂直方向上，形成下大上小的結構形狀，實踐證明這種構造方式具有較好的抗震性能。優雅的大屋頂是中國古代傳統建築最突出的形象特徵之一，而且對提高建築的抗震能力也做出過相當的貢獻。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂等)需要複雜結構和大量構件，大大增加了屋頂乃至整個構架的整體性；龐大的屋頂以其自重壓在柱網上，也提高了構架的穩定性。

斗栱是中國古代建築抗震的又一位重要戰士，在地震時它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。歷史上，很多帶斗栱的建築都能抵禦強烈地震，比如山西大同的華嚴寺，在沒有斗栱的低等級附屬建築被破壞殆盡的情況下，帶斗栱的主要殿堂仍能倖存，充分說明瞭斗栱對抗震的貢獻。斗栱但能起到"減震器"的作用，而且被各種水平構件連接起來的斗栱群能夠形成一個整體性很強的"剛盤"，按照"能者多勞"的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子，大大提高了整個結構的安全性。

除了這些較顯著的手法外，中國古代傳統建築中還使用了大量的其他技術措施，這些措施是古建築抗震的關鍵。比如榫卯的使用：榫卯是極為精巧的發明，我們的祖先早在7000年前就開始使用，這種不用釘子的構件連接方式，使得中國傳統的木結構成為超越了當代建築排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量，減小結構的地震響應。又比如柱子的生起、側腳等技法降低了建築的重心，並使整體結構重心向內傾斜，增強了結構的穩定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結構構件連接，使柱架層形成一個閉合的構架系統，用現代術語來說，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動，增強了建築構架的整體性。梁架系統通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構件強化了聯繫，顯著增強了結構的整體性；柱子與柱礎的結合方式能顯著地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦，進而有效地產生隔震作用；在高大的樓閣中，如獨樂寺觀音閣、應縣木塔等，都在暗層中設有斜撐，大大強化了構架對水平衝擊波反覆作用的抵抗能力；在外檐柱間設置較厚的牆體，起到現代建築中"剪力牆" 的作用諸如此類，舉不勝舉，大到建築群體的布局處理，小到構件斷面的尺寸設計，處處都展示出古代工匠們在抗震設計方面的知識和匠心。

應縣木塔 中國古代建築抗震能力的傑出代表

山西應縣佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)是中國古代傳統建築傑出抗震能力的集中代表。這座木塔是當今世界現存最高的木結構建築，竣工於 1056年，處於大同盆地地震帶上。木塔建成200多年即遭受大震，餘震連續7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔巋然不動；在此後的近千年中，木塔經歷了多次大地震的考驗而安然無恙。在戰亂之際，木塔還承受過200餘發炮彈的轟擊，亦無大損。木塔之所以有如此傑出的抗震能力，在於前述諸多抗震技法的綜合和提高：木塔平面是規則的正八角形，利於抵抗地震波產生的扭曲力；木塔高達4.4米的磚石基座堅實、穩定，形成一個"浮筏"，承載著全塔的重量(約 1300噸)；木塔內梁與柱的連接完全通過斗栱完成，各種構件則通過榫卯連接，全塔的主要構件不用一釘一鉚，這種連接形式類似於半固結半活鉸的狀態，能承受較大的彎矩；構架水平分層，在地震波中的垂直衝擊波攻擊下，可以通過"彈跳"的方式消解巨大的破壞能量；構架的整體性有力地抵抗旋轉波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結成一個筒形的框架，保證了構架的穩定性；柱子之間砌筑有厚實的牆體，牢牢地"抱"住各柱子，增加了構架的整體性，而且這些牆體能作為剪力牆發揮作用；立柱側腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，並使整體結構重心向內傾斜，增強了塔的穩定性，這樣既使塔身形成美麗的曲線，又能把水平的地震衝擊力分解成垂直方向的壓力；周邊有一圈柱廊，各圈柱廊被水平構件連接成一個剛中帶柔的整體；為了加固結構框架，在八邊形木塔的四個斜向應面上，自上而下採用了剪刀撐做法。

整座木塔表現出結構、技術與藝術形象的高度和諧，表裡如一，這是中國古代木結構建築，也是我們中華民族的"傳統美德"之一。在近千年前我們的祖先就能建造出如此莊嚴美麗而堅固耐久的建築，充分顯示出當時的匠人對數學、力學、材料學、結構學的研究已經相當深入，而且對地震的破壞機理已有了相當的瞭解，抗震經驗已積累到了很高的水平，既令人驚奇，也令人自豪。