七千年前的榫卯

   轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)

    中國(guó)園林網(wǎng)6月26日消息：與西方磚石結(jié)構(gòu)建筑的“以剛克剛”不同，中國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑在抵抗地震沖擊力時(shí)，采用的是“以柔克剛”的思維，通過(guò)種種巧妙的措施，其目標(biāo)是以最小的代價(jià)，將強(qiáng)大的自然破壞力消彌至最小程度。我國(guó)許多古代建筑都成功地經(jīng)受過(guò)大地震的考驗(yàn)，如天津薊縣獨(dú)樂(lè)寺觀音閣、山西應(yīng)縣木塔等建筑，千百年來(lái)均經(jīng)歷過(guò)多次地震仍然傲然屹立。當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)以抵御9度地震為目標(biāo)，而我國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑基本上能達(dá)到這個(gè)要求，而且其代價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于西方的“剛”，不能不讓人嘆服“柔”的力量。

　　柔性的框架結(jié)構(gòu)：墻倒屋不塌

    中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機(jī)材料作為結(jié)構(gòu)主材，而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)成熟度最高的結(jié)構(gòu)體系—柔性的框架體系。我國(guó)木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)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(duì)比，西方數(shù)千年中一直采用承重墻體系，直到工業(yè)革命以來(lái)、近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展之后，才意識(shí)到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，遂開(kāi)始大規(guī)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(guó)的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性，如“墻倒屋不塌”的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當(dāng)?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴?fù)能力。這次汶川大地震中，許多文物建筑的墻體均不同程度地受損，但主體結(jié)構(gòu)仍未倒塌，就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力的表現(xiàn)。

    整體浮筏式基礎(chǔ)、斗栱、榫卯：抗擊地震的關(guān)鍵

    我國(guó)古代很少建造平面復(fù)雜的建筑，主要采用長(zhǎng)寬比小于2:1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當(dāng)心間)最大，兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設(shè)計(jì)非常有利于抵抗地震的扭矩。

    中國(guó)古代建筑一般由臺(tái)基、梁架、屋頂構(gòu)成，高等級(jí)的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個(gè)斗栱層。中國(guó)古代建筑的臺(tái)基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語(yǔ)言描述，堪稱(chēng)“整體浮筏式基礎(chǔ)”，好比是一艘大船載著建筑漂浮在地震形成的“驚濤駭浪”中，能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞，減少地震波對(duì)上部建筑的沖擊。中國(guó)傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造，在構(gòu)架的垂直方向上，形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀，實(shí)踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國(guó)古代傳統(tǒng)建筑最突出的形象特征之一，而且對(duì)提高建筑的抗震能力也做出過(guò)相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)?需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大量構(gòu)件，大大增加了屋頂乃至整個(gè)構(gòu)架的整體性；龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)上，也提高了構(gòu)架的穩(wěn)定性。

    斗栱是中國(guó)古代建筑抗震的又一位重要戰(zhàn)士，在地震時(shí)它像汽車(chē)的減震器一樣起著變形消能的作用。歷史上，很多帶斗栱的建筑都能抵御強(qiáng)烈地震，比如山西大同的華嚴(yán)寺，在沒(méi)有斗栱的低等級(jí)附屬建筑被破壞殆盡的情況下，帶斗栱的主要殿堂仍能幸存，充分說(shuō)明了斗栱對(duì)抗震的貢獻(xiàn)。斗栱但能起到“減震器”的作用，而且被各種水平構(gòu)件連接起來(lái)的斗栱群能夠形成一個(gè)整體性很強(qiáng)的“剛盤(pán)”，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(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。

    除了這些較顯著的手法外，中國(guó)古代傳統(tǒng)建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施，這些措施是古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用：榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前就開(kāi)始使用，這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，使得中國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在地震荷載下通過(guò)變形吸收一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。又比如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個(gè)閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，用現(xiàn)代術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動(dòng)，增強(qiáng)了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過(guò)闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強(qiáng)化了聯(lián)系，顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性；柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)頂面之間的摩擦，進(jìn)而有效地產(chǎn)生隔震作用；在高大的樓閣中，如獨(dú)樂(lè)寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等，都在暗層中設(shè)有斜撐，大大強(qiáng)化了構(gòu)架對(duì)水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力；在外檐柱間設(shè)置較厚的墻體，起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類(lèi)，舉不勝舉，大到建筑群體的布局處理，小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計(jì)，處處都展示出古代工匠們?cè)诳拐鹪O(shè)計(jì)方面的知識(shí)和匠心。

    應(yīng)縣木塔：

    中國(guó)古代建筑抗震能力的杰出代表

    山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔(應(yīng)縣木塔)是中國(guó)古代傳統(tǒng)建筑杰出抗震能力的集中代表。這座木塔是當(dāng)今世界現(xiàn)存最高的木結(jié)構(gòu)建筑，竣工于1056年，處于大同盆地地震帶上。木塔建成200多年即遭受大震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔巋然不動(dòng)；在此后的近千年中，木塔經(jīng)歷了多次大地震的考驗(yàn)而安然無(wú)恙。在戰(zhàn)亂之際，木塔還承受過(guò)200余發(fā)炮彈的轟擊，亦無(wú)大損。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述諸多抗震技法的綜合和提高：木塔平面是規(guī)則的正八角形，利于抵抗地震波產(chǎn)生的扭曲力；木塔高達(dá)4.4米的磚石基座堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定，形成一個(gè)“浮筏”，承載著全塔的重量(約1300噸)；木塔內(nèi)梁與柱的連接完全通過(guò)斗栱完成，各種構(gòu)件則通過(guò)榫卯連接，全塔的主要構(gòu)件不用一釘一鉚，這種連接形式類(lèi)似于半固結(jié)半活鉸的狀態(tài)，能承受較大的彎矩；構(gòu)架水平分層，在地震波中的垂直沖擊波攻擊下，可以通過(guò)“彈跳”的方式消解巨大的破壞能量；構(gòu)架的整體性有力地抵抗旋轉(zhuǎn)波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結(jié)成一個(gè)筒形的框架，保證了構(gòu)架的穩(wěn)定性；柱子之間砌筑有厚實(shí)的墻體，牢牢地“抱”住各柱子，增加了構(gòu)架的整體性，而且這些墻體能作為剪力墻發(fā)揮作用；立柱側(cè)腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強(qiáng)了塔的穩(wěn)定性，這樣既使塔身形成美麗的曲線，又能把水平的地震沖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(gòu)件連接成一個(gè)剛中帶柔的整體；為了加固結(jié)構(gòu)框架，在八邊形木塔的四個(gè)斜向應(yīng)面上，自上而下采用了剪刀撐做法。 

    整座木塔表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)、技術(shù)與藝術(shù)形象的高度和諧，表里如一，這是中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑，也是我們中華民族的“傳統(tǒng)美德”之一。在近千年前我們的祖先就能建造出如此莊嚴(yán)美麗而堅(jiān)固耐久的建筑，充分顯示出當(dāng)時(shí)的匠人對(duì)數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，而且對(duì)地震的破壞機(jī)理已有了相當(dāng)?shù)牧私猓�抗震�?jīng)驗(yàn)已積累到了很高的水平，既令人驚奇，也令人自豪。