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中國古代建築的抗震智慧

牆倒屋不塌」柔性的框架結構:

 中國古代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「柔性的框架體系」。
我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,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 我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佈局有利於抗震。
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台基、樑架、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。中國古代建築的台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。中國傳統建築的樑架一般採用抬樑式構造,在構架的垂直方向上,形成下大上小的結構形狀,實騐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避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,充分說明了斗栱對抗震的貢獻。
斗栱但能起到「避震器」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。



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。
樑架系統通過闌額、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;在外簷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,大到建築群體的佈局處理,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。
亦曾於戰亂之際,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了其生存力。
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;高達4.4公尺的磚石基座堅實、穩定,形成一個「浮筏」,承載著全塔的重量(約 1300噸);
木塔內樑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樑枋連結成一個筒形的框架,保持了構架的穩定性;
柱子之間砌築有厚實的牆體,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準,既令人驚奇,也令人自豪。

(文章來源:中國國家地理)

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