王紀(jì)元 陳昌材

1 概述

生土建筑是一種古老且現(xiàn)在仍然被廣泛采用的建筑類型，它廣泛存在于世界各個大洲。目前，世界上大約有1/3的人口仍然居住在生土建筑里面[1]。生土民居由于具有經(jīng)濟、就地取材、施工簡單、維修容易以及保溫性能好等特點，在我國廣大農(nóng)村地區(qū)，民居仍較廣泛的存在并發(fā)揮著其重要作用。由于民居材料力學(xué)性質(zhì)以及傳統(tǒng)施工工藝缺失等原因，造成民居抗震性能普遍較差，無法很好的滿足抗震要求。在地震來臨時，給人們的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。例如，2003年四川鹽源5.0級地震，都引起了相當(dāng)程度的房屋倒塌及人員傷亡，給人們的生命財產(chǎn)造成巨大損失。2010年4月14日在青海省玉樹地區(qū)發(fā)生的7.1級地震，震區(qū)農(nóng)村房屋的倒塌率竟然達到了駭人聽聞的90%以上[2]。

2 生土民居的特點

我國生土民居的特點主要包括以下幾個方面:1)經(jīng)濟環(huán)保，就地取材。土作為自然界中一種普遍存在的物質(zhì)，當(dāng)其用作主題材料建造房屋時，方便就地取材，具有良好的經(jīng)濟性能。而且生土還可以回收利用，是一種純綠色的物質(zhì)，具有良好的環(huán)保性能。2)保溫性能好，施工方便。我國的生土民居已經(jīng)經(jīng)歷了上千年的發(fā)展，在民建已經(jīng)形成了較為成熟的施工工藝，施工方便。而且由于土的熱傳導(dǎo)較低，保溫性能好，使民居具有了冬暖夏涼的功能特點。3)維修簡單。由于土體材料的可塑性強，使得民居建筑的墻體等構(gòu)件在維修時非常簡單。4)抗震性能普遍較差。由于傳統(tǒng)營造經(jīng)驗的失傳，施工質(zhì)量無法保證等原因，導(dǎo)致生土民居的抗震性能較差，在地震作用下容易發(fā)生損壞甚至倒塌。

3 生土民居結(jié)構(gòu)形式

由于我國幅員遼闊，明顯的氣候差異性原因，導(dǎo)致生土民居建筑的存在形式呈現(xiàn)出多樣化的特點。根據(jù)結(jié)構(gòu)性質(zhì)和材料，生土民居主要分為兩大類:生土窯洞和生土房屋。生土窯洞主要分布在我國陜北、隴東、內(nèi)蒙等黃土高原地區(qū)。按照建造方式一般分為三種類型[3]:1)靠山式窯洞。窯洞臨山而建，在山腳、山腰的同等高度上建成帶狀分布群，形成錯落有致、層次分明的村落。2)下沉式窯洞。在黃土高原的地下開挖出窯洞院落(一般往下開挖7 m～10 m)，依靠開挖的斜坡和地面聯(lián)系。3)半敞式窯洞。在平川地帶或半丘陵地區(qū)，采用平房和窯洞組合的方式建造院落。即窯洞前面加蓋平房，這樣既有平房通風(fēng)又有窯洞保溫的優(yōu)點。生土房屋按照施工工藝又可分為土坯房屋、夯土房屋以及土樓。由于其使用材料的普遍性，使其分布較窯洞更加廣泛，幾乎在全國各地都能找到。

1)土坯房屋。土坯房屋是分布最為廣泛的生土房屋。在制作時，一般是采用天然生土做成土坯磚，然后砌筑成房屋。為提高土坯磚的延性，在制作土坯磚時，往往會往土中添加秸稈等纖維物質(zhì)。2)土樓。福建土樓被譽為“世界第一生土建筑”，它采用厚度達到1 m以上的圓形結(jié)構(gòu)墻體，在墻體立面還分布“竹筋”。3)夯土房屋。夯土房屋主要分布在我國西部等地，它主要是將具有一定含水率的生土夯筑成墻體。

4 生土民居的震害特征

生土房屋由于自身的材料屬性，其抗震性能普遍較低。在地震荷載作用下，往往會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害，甚至倒塌。經(jīng)過研究及震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生土房屋的震害特征主要可分為以下幾個方面:

1)墻體受剪破壞。由于生土房屋的材料強度低，在水平方向的地震力作用下，墻體容易發(fā)生受剪破壞。這種破壞的特點是在破壞時，在墻體上往往會形成兩條交叉的斜裂縫，裂縫呈現(xiàn)出“X”形狀。2)基礎(chǔ)破壞。生土房屋在建造時，通?；A(chǔ)的深度、寬度較小。且一般都是采用三合土或碎石把原狀土置換，然后再夯實。在此過程中，由于施工的差異性，會引起基礎(chǔ)強度不均勻。再加上其上部墻體機構(gòu)一般比較厚重，會導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，引起墻體開裂，這種裂縫一般呈豎向分布，見圖1。3)木構(gòu)架破壞。生土房屋中的土坯房屋，較多時候會采取木構(gòu)架承重的結(jié)構(gòu)形式，由木框架來承受房頂?shù)闹亓俊Ｓ捎谑褂媚静牡膹姸然蛘呓M成木構(gòu)架的各桿之間連接不牢固的原因，在地震力作用下，木構(gòu)架往往會發(fā)生破壞，進而引起房屋倒塌，見圖2。4)墻體外閃。經(jīng)震后災(zāi)害的調(diào)查表明，墻體由橫、縱墻交界處附近發(fā)生破壞引起墻體外閃仍是一種重要的破壞形式之一，見圖3。

圖1 生土房屋地基基礎(chǔ)破壞造成墻體裂縫[4]

圖2 生土房屋木構(gòu)架破壞導(dǎo)致房屋倒塌[4]

圖3 墻體外閃導(dǎo)致倒塌[5]

5 生土民居營造工藝的改進建議

根據(jù)生土民居的震害特征，本文在營造工藝方面提出了以下建議:1)在木構(gòu)架承重體系時，木構(gòu)件各個組件之間的連接一定要可靠，最好采取傳統(tǒng)可靠的“榫卯”連接，避免簡單的鐵釘連接。因為榫卯連接在地震作用下可發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動，能夠起到較好的耗能作用。2)當(dāng)采用混合承重體系時，墻體承受框架梁的部位要局部加強，可設(shè)置與墻厚相仿的木板，把梁放置在木板上。這樣能利用模板把梁傳來的集中力分散傳給墻體，避免墻體因局部受到的壓強過大而被壓壞。3)為防止夯土房屋的非承重縱墻與橫墻在拐角處發(fā)生脫裂，應(yīng)當(dāng)在橫墻與縱墻之間建立可靠的連接。在施工時，可水平放置“T”形竹木棍。當(dāng)房屋采用木框架承重時，還應(yīng)當(dāng)給木框架柱留出足夠的變形空間。防止在地震作用下，框架柱與墻體發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致墻體破壞。4)在土坯房屋中設(shè)置多道“圈梁”，增加墻體的整體性，避免墻體在地震作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

6 結(jié)語

生土民居作為歷史的產(chǎn)物，還將會繼續(xù)履行其歷史使命。通過對其特點、結(jié)構(gòu)形式以及震害特征的分析，本文給出了營造工藝方面的建議，對其抗震性能的提高有著一定的意義。

[1]荊萁敏.生土建筑[J].建筑學(xué)報，1994(5):29-31.

[2]http://news.sohu.com/20080526/n257070244.shtml.

[3]陳 嘉，阿肯江·托呼提.摻和麥秸稈纖維土體材料抗壓強度性能試驗研究[J].四川建材，2009，35(150):13-14.

[4]于 文.新疆喀什生土房屋模型振動臺試驗研究[D].北京:中國建筑科學(xué)研究院，2007.

[5]E.Leroy Tolles，Edna E.Kimbro，F(xiàn)rederick A.Webster，et al.Seismic Stabilization of Historic Adobe Structures[M].The Getty Conservation Institute，Los Angeles，2000.