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中國的古建築是如何抗震的?木結構建築中的“柔與剛”

在各種自然災害中,地震災害可謂“百災之首”。中國是壹個多地震的國家,是世界上地震活動水平最高、地震災害最嚴重的國家之壹。華北、西北、東南、西南都是強震分布區。但中國的許多古建築都成功經受住了大地震的考驗,如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應縣木塔等,歷經千年多次地震,依然傲然挺立。古建築為什麽能抗震?它們是如何抗震的?

天津薊縣獨樂寺,古代抗震建築:天津薊縣獨樂寺,山西應縣木塔,抗震尤為突出。都樂寺位於天津薊縣盤山腳下。建於唐代,寺內觀音閣、山門為遼代重修。重建壹千多年來,都樂寺經歷了28次地震,其中清康熙十八年(1679)三河、平谷發生了8級以上強震。“薊縣無壹官宅幸存,觀音閣獨壹無二。”1976唐山地震時,薊縣多處房屋倒塌,觀音閣木柱和山門輕微晃動,觀音像胸前的鐵條被拉斷,但整個木架安然無恙。

獨樂寺觀音閣之所以在多次強震中屹立不倒,主要是因為鬥拱的作用。觀音閣的鬥拱設計非常巧妙。沒有釘子,由七層木塊交織而成,相互連接固定,地震發生時能及時緩解外界壓力,抗震性能強。

山西應縣木塔:“明五暗四”的剛柔結合

應縣木塔位於山西省應縣西北部的佛公寺。建於遼清寧二年(1056)。應縣木塔位於大同盆地的地震帶上。建成近千年,經歷過多次大地震。據史料記載,200多年前木塔建成時,當地曾發生過6.5級地震。余震持續了7天,木塔附近的房子全部倒塌,除了木塔。上世紀初,軍閥混戰,木塔被200多發炮彈擊中,除了兩根柱子外,沒有任何損壞。

應縣木塔之所以有這麽強的抗震能力,在於其獨特的木結構設計。木塔除石基外,全部采用松木、榆木制作,框架內所有接縫均采用榫卯結合,具有壹定的靈活性;木塔從外面看有五層六檐,但每層都有暗層,五層明層,四層暗層,實際上是九層。明樓通過柱、鬥拱、梁的連接形成柔性樓蓋,各暗樓內柱與內外角柱之間增加各種斜梁,加強了塔樓的結構剛性。這樣的剛性和柔性可以有效抵抗地震和炮彈的破壞力。

有人說西方建築史是“石頭史”,中國建築史是“木頭史”,西方磚石結構是剛性結構建築體系,中國土木結構是柔性結構建築體系。西方人用剛性的磚石結構來抵禦自然災害,而中國人用柔性的土木結構來抵禦地震破壞。

木材和土壤作為建築材料,具有韌性好、加工靈活、組合方便等優點。在防震方面,主要依靠木結構。學者程建軍認為,木材是壹種重量輕、力學性能好的建築材料。它有彈性,在外力作用下容易變形,但在壹定程度上有恢復變形的能力。木框架中的所有節點壹般都是榫卯結合,也有壹定的變形能力。此外,傳統的木框架布置在平衡對稱的柱網平面和梁框架中,使其形成靈活的整體框架結構體系。當地震發生時,建築物會通過自身的變形來消化地震力對結構的破壞能量,從而在壹定程度上保證建築物的安全。

中國傳統木結構具有框架結構的所有優點,如“墻倒屋不塌”的效果,但其柔性連接使其具有相當的彈性,並具有壹定程度的自恢復能力。在這次汶川地震中,很多文物建築的墻體都有不同程度的損壞,但主體結構並沒有倒塌,這就是這種柔性框架結構抗震能力的表現。

-古建築如何抗震-絕招壹:古建築的橋臺可以稱為整體浮墊基礎。中國古代很少有平面復雜的建築,主要采用長寬比小於2: 1的矩形。規則的平面形狀和結構布局有利於抗震。傳統建築往往是中間最大(心間),二間和兩邊的梢間寬度依次減小。這種設計非常有利於抵抗地震的扭矩。

我國古代建築壹般由橋臺、梁架、屋頂組成,高檔建築在屋頂與梁之間有鬥形樓蓋。我國古建築的橋臺用現代結構語言來描述,可以稱之為“整體浮墊基礎”,就像壹艘大船在地震形成的“驚濤駭浪”中載著建築物,可以有效避免建築物的基礎受到剪切破壞,減少地震波對上層建築的沖擊。我國傳統建築的梁架壹般采用擡梁式結構。在框架的垂直方向上,形成下大上小的結構形狀。實踐證明,這種結構具有良好的抗震性能。典雅的大屋頂是我國古代傳統建築最突出的形象特征之壹,也為提高建築的抗震能力做出了相當大的貢獻。大屋頂的形成(特別是寺廟的屋頂,山的其余部分等。)需要復雜的結構和大量的構件,大大增加了屋頂乃至整個框架的整體性;巨大的屋頂靠自身重量支撐在柱網上,也提高了框架的穩定性。

招數二:鬥拱是古建築抗震的另壹個重要“勇士”。鬥拱是我國古建築抗震的又壹重要“勇士”。它像汽車的減震器壹樣在地震時起到變形和耗能的作用。它是由若幹鬥狀木塊和拱形短梁組成的構件,用在柱頂或額上,起支撐梁架和突出屋檐的作用。地震發生時,屋頂與立柱之間的幾組內外檐鬥拱起到彈簧層壹樣的變形和消能作用,從而大大降低了建築物的破壞程度。從歷史上看,很多鬥拱建築可以抵禦強震。比如山西大同的華嚴寺,在沒有鬥拱的低層附屬建築全部被毀的情況下,有鬥拱的正殿還能幸存,充分說明了鬥拱對抗震的貢獻。鬥拱可以起到“減震器”的作用,各種水平構件連接的鬥拱可以形成壹個整體性很強的“剛性板”,按照“能者多勞”的原則將地震力傳遞給具有抗震能力的柱子,大大提高了整個結構的安全性。

招數三:榫卯是抗震的關鍵。除了這些顯而易見的技術,中國古代傳統建築中還采用了大量的其他技術措施,這些技術措施是古建築抗震的關鍵。比如榫卯的使用,就是壹個非常巧妙的發明。我們的祖先早在7000年前就開始使用榫卯。這種不用釘子的構件連接方式,使得中國傳統木結構成為壹種超越當代建築排架、框架或剛架的特殊柔性結構。既能承受較大的荷載,又允許壹定的變形,在地震荷載作用下通過變形吸收壹定的地震能量,從而降低結構的地震反應。

還有柱上升、側腳等技術,降低了建築的重心,使整個結構的重心向內傾斜,增強了結構的穩定性;柱頂和柱腳分別與橫隔板、地被等結構構件連接,使柱框架層形成壹個封閉的框架體系,用現代的說法就是形成上下圈梁,有效阻止柱頂和柱腳的移動,增強建築框架的整體性。梁框架體系通過隔板、翼緣、柱、爬、拉、梁、檁條、椽等多種構件加強連接,顯著增強了結構的整體性;柱與柱基礎的組合可以顯著減小柱底與柱基礎頂面之間的摩擦力,進而有效產生隔震效果;在高大的樓閣中,如都樂寺的觀音閣、應縣木塔等,在暗樓中安裝斜撐,大大加強了框架對反復水平沖擊波的抵抗能力。在檐柱之間設置厚墻,在現代建築中起到“剪力墻”的作用,等等,從建築群的布局到構件截面的尺寸設計,處處顯示出古代工匠在抗震設計方面的知識和聰明才智。

中國古代建築在漫長的發展過程中始終能保持自己的個性是必然的。就建築材料而言,我國古建築的木結構在維持建築使用壽命方面並沒有任何優勢,木質的梁、門、窗、柱也經不起長時間的風雨。然而,正是這種靈活的木結構創造了中國古代建築獨特的造型和豐富的形式。

這樣的例子在國外並不少見。在日本神戶和美國洛杉磯的大地震中,木結構只是輕微變形,從未倒塌。即使在強烈的地震力作用下,木結構被向前推了數米或者整體被甩出地基,但依然完好無損,沒有分崩離析。這證明了木結構在各種極端載荷條件下的抗震穩定性和完整性。神戶大地震後,日本政府明確表示,北美所有民用住宅必須用木結構建造。

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