剛柔並濟是中華民族的傳統智慧。舉世聞名的《太極傳》就是這壹思想的直接產物,而中國傳統木結構建築的防震方法可以稱之為“建築太極傳”。
與西方磚石結構不同,中國傳統木結構在抵抗地震沖擊時采用“剛柔並濟”的思維。通過各種巧妙的措施,它的目標是以最小的代價把強大的自然破壞力降到最低。中國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而依然傲然挺立。當代建築設計以抗9度地震為目標,但中國傳統的木結構建築基本能滿足這壹要求,且造價遠不及西方的“剛”,讓人佩服“柔”的力量。
中國古代建築特色之二
柔性框架結構:墻倒了房子不倒
中華民族不僅從文明之初就明智地選擇了木材等有機材料作為主要的結構材料,還發展並形成了世界上歷史最悠久、持續時間最長、技術成熟度最高的柔性框架體系。中國木結構技術的發展,如果僅從浙江余姚河姆渡遺址算起,至少有7000年的歷史。相比之下,承重墻體系在西方已經使用了幾千年。直到工業革命和現代科技的發展,才意識到框架結構的優越性,開始大規模推廣。更有意思的是,這個框架體系還是“剛性”的。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。
中國古代建築的三大特征
浮墊基礎、鬥拱、榫卯壹體:抗震的關鍵
中國古代很少建造平面復雜的建築,主要使用長寬比小於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。
鬥拱是我國古建築抗震的又壹重兵。它像汽車的減震器壹樣在地震時起到變形和耗能的作用。從歷史上看,很多壹個水桶的建築都可以抵禦強震。比如山西大同的華嚴寺,帶鬥的大雄寶殿,在低層附屬建築沒有破壞的情況下,仍然能夠保存下來,充分說明了鬥對抗震的貢獻。桶可以起到“減震器”的作用,由各種水平構件連接的桶組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。
除了這些顯而易見的技術,我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:榫卯是壹項極其巧妙的發明,我們的祖先早在7000年前就開始使用了。這種無釘的構件連接方式,使我國傳統木結構成為超越當代建築排架、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。比如柱上升、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。
應縣木塔:
中國古建築抗震能力的傑出代表
應縣佛宮寺的薩迦塔(應縣木塔)是我國古代傳統建築卓越抗震能力的集中代表。這座木塔是當今世界上現存最高的木結構建築,建成於1056,位於大同盆地的地震帶上。這座木塔在建成200多年後遭受了壹次大地震。余震持續了7天,木塔附近的房屋全部倒塌,而木塔依然紋絲不動。在接下來的壹千年裏,木塔歷經多次大地震,安然無恙。戰爭期間,木塔被200多發炮彈轟擊,沒有大的損失。木塔之所以具有如此突出的抗震能力,在於綜合和完善了上述抗震技術:木塔的平面為正八邊形,有利於抵抗地震波產生的扭轉力;高4.4米的木塔磚石基礎堅實穩固,形成承載全塔重量(約1300噸)的“浮筏”;木塔的內梁與立柱的連接完全是通過吊桶完成的,所有的構件都是通過榫卯連接。整個塔的主要構件不需要釘和鉚。這種連接形式類似於半固結半活鉸的狀態,可以承受較大的彎矩。框架水平分層,在地震波中垂直沖擊波的攻擊下,巨大的破壞能量可以通過“彈跳”消除;框架整體性強,抵抗旋轉波,所有立柱用頂梁枋連接成圓柱形框架,保證了框架的穩定性;在柱子之間砌上厚厚的墻,把柱子牢牢“抱”住,增加了框架的整體性,這些墻可以起到剪力墻的作用;柱的側腳和平面逐層減小,有效降低了塔的重心,使整個結構的重心向內傾斜,增強了塔的穩定性,既形成了塔體優美的曲線,又將水平地震沖擊力分解為垂直壓力;周圍有壹圈柱廊,每壹圈柱廊由水平構件連接成剛柔並濟的整體;為了加強結構框架,八角形木塔的四個斜對應面采用自上而下的斜撐方式。
整個木塔表現出結構、工藝和藝術形象的高度和諧,是中國的古代木結構,是我們中華民族的“傳統美德”之壹。近千年前,我們的祖先能夠建造出如此莊嚴、美觀、耐用的建築,充分說明當時的工匠對數學、力學、材料科學、結構科學有著深入的研究,對地震的破壞機理有著很好的認識,抗震經驗積累到了很高的水平,既令人驚訝,也令人自豪。