魏剛

在歷史的長河中，由于地理差異，人類社會逐漸形成兩大建筑結(jié)構(gòu)。一種是以磚石為主的堅硬建筑，表現(xiàn)為歐洲的城堡和教堂；另一種是以天然木材為主的柔軟建筑，表現(xiàn)為中國的殿閣樓臺。

在現(xiàn)代工業(yè)文明到來之前，這兩大建筑類型在各自的地域和社會中不斷發(fā)展，幾乎達(dá)到了各自建造技術(shù)的極致。我們姑且暫時將城堡和教堂放在一邊，來看一看木結(jié)構(gòu)建筑的特點和抗震之謎。

震后不倒的木結(jié)構(gòu)建筑

在汶川地震中，四川都江堰青城山前山有部分木結(jié)構(gòu)的別墅建筑，在災(zāi)后的實地調(diào)查中人們發(fā)現(xiàn)，建筑面積約200平方米的木結(jié)構(gòu)房屋底層裂縫最多出現(xiàn)了6處，二層的裂縫最多出現(xiàn)了2處，但并不影響結(jié)構(gòu)安全性和正常使用。

2009年，日本和美國科學(xué)家進(jìn)行了一次木結(jié)構(gòu)建筑抗震實驗。他們在一座實驗工作臺上建造了一座7層高的木結(jié)構(gòu)建筑，然后制造一次相當(dāng)于里氏7.5級的人造地震，震動持續(xù)了40秒鐘。實驗結(jié)果顯示，木結(jié)構(gòu)建筑對強烈地震有較高的耐受力。

清華大學(xué)建筑學(xué)院教授王貴祥透露，我國古代木結(jié)構(gòu)建筑有不少經(jīng)歷了數(shù)百上千年，仍然巋然屹立。

比如位于天津薊縣盤山腳下的獨樂寺，始建于唐代，寺內(nèi)的觀音閣和山門重建于遼代。自重建以后千余年來，獨樂寺曾經(jīng)歷了28次地震，其中清康熙十八年（1679年）三河、平谷發(fā)生8級以上強震，薊縣城內(nèi)官民房屋全部倒塌，只有觀音閣不倒。1976年唐山大地震，觀音閣及山門的木柱略有搖擺，但整個大木構(gòu)架安然無恙。

還有位于山西省應(yīng)縣城西北佛宮寺內(nèi)的應(yīng)縣木塔，建于遼清寧二年（1056年）。據(jù)史書記載，在木塔建成200多年時，當(dāng)?shù)卦l(fā)生過6.5級地震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，只有木塔巋然不動。上世紀(jì)初軍閥混戰(zhàn)的時候，木塔曾被200多發(fā)炮彈擊中，除打斷了兩根柱子外，別無損傷。

天然木材以柔克剛

木結(jié)構(gòu)建筑為何有如此奇特的抗震性能呢？中國工程院院士、中國地震局工程力學(xué)研究所原所長謝禮立指出，木結(jié)構(gòu)建筑擁有一定的抗震性能主要是由其材料決定的。天然木材本身質(zhì)地較軟，比磚石混凝土和鋼材有更好的柔韌性，可以承受更大的形變。同時，天然木材一般比較輕，整個建筑的重量就比磚混和鋼結(jié)構(gòu)的建筑要輕得多。這些都有利于抗震。

長期從事古建筑修繕工作的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，一般木結(jié)構(gòu)建筑主要采用松木、杉木，這些針葉樹木既能承重又有韌性，而楊木、柳木因為易斷裂，則不會用在木結(jié)構(gòu)建筑中。高級的木結(jié)構(gòu)建筑的連接件會用金絲楠木等成材年份長，韌度高的木材，但在國內(nèi)，這些名貴木材已經(jīng)在明清兩代被采伐殆盡。

據(jù)了解，采伐后的木材并不能直接就用于建筑，因為含水率很高，不加處理使用會導(dǎo)致建筑日后變形。因此，木材采伐運輸后，要進(jìn)行烘干，一種是自然晾干，但是耗時長，一種是逐漸加溫烘干，時間短。烘干后的木材在壓力下可以變形，但不會斷裂，壓力消失后，還可以恢復(fù)原樣。這也是天然木材作為建筑材料的優(yōu)勢。

可變形的框架結(jié)構(gòu)

除了天然木材本身的可塑特性外，木結(jié)構(gòu)建筑擁有可變形的框架結(jié)構(gòu)。比如，一把木椅子，你使勁晃動，它會吱扭作響，但是椅子不會散架。

我國古代木結(jié)構(gòu)建筑主要由四部分組成，分別是地基、基礎(chǔ)、墻柱、屋頂。其中，地基是由石灰、黏土和細(xì)砂所組成的三合土夯實的。地基上面是基礎(chǔ)，一般是獨立基礎(chǔ)，也就是砌個大磚臺。一旦發(fā)生震動，雖然下面的地基會晃動，但是由于上面是個整體，所以晃動而不散架。

木結(jié)構(gòu)建筑沒有承重墻，它的墻體只承受自身的重量而不承受建筑其他荷載。承重的只有柱子。

專家指出，木結(jié)構(gòu)建筑的支撐柱不是釘死在地基里的，而是放在石頭基礎(chǔ)上，也可以移動。在汶川地震后，當(dāng)?shù)氐脑S多木結(jié)構(gòu)建筑的柱子就發(fā)生了移動，但是建筑本身沒有倒塌。這種特點使人們在大地震過后經(jīng)?？吹健皦Φ刮莶凰钡木跋蟆?/p>

如果說基礎(chǔ)和柱子讓木結(jié)構(gòu)建筑有個堅實的下盤，那么不用釘子的構(gòu)件連接則是木結(jié)構(gòu)框架晃而不散的根源。

木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件之間的連接方式可以有效地消解地震能量。木結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件連接是榫卯結(jié)構(gòu)，榫卯連接既不會讓各構(gòu)件分開，同時又有余量。

榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前就開始使用。這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，使得我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排架、框架或者鋼架的特殊柔性結(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，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量。

工藝精巧剛?cè)嵯酀?jì)

中國木結(jié)構(gòu)建筑中有個獨特的構(gòu)件——斗拱，它很好地體現(xiàn)了分散受力的原理。在立柱和橫梁交接處，從柱頂上的一層層探出成弓形的承重結(jié)構(gòu)叫拱，拱與拱之間墊的方形木塊叫斗，兩者合稱斗拱。過去古建筑都要有屋檐，出挑的屋檐必須要有木料支撐才不會塌落。但是，如果用一根木料支撐，承受力顯然不夠，而且那么大的木料也并不好找。于是古代工匠就想出一個巧妙的辦法，將整根木料化整為零，在柱子上像搭積木一樣，縱橫交錯逐級伸出，這樣不但用的木料少，而且承受力也比只用一根木料大得多。形象地說，斗拱就像個大彈簧，在木結(jié)構(gòu)建筑中起到了消解地震能量的作用。

獨樂寺觀音閣之所以在多次強震中屹立不倒，主要是斗拱起了作用，觀音閣的斗拱設(shè)計十分巧妙，在沒有一顆釘子固定的情況下，通過七層木塊的相互交織，達(dá)到了相互連接固定的作用，這樣在地震出現(xiàn)時能及時減緩?fù)獠康膲毫?，具有很強的抗震性能?/p>

除斗拱外，在木結(jié)構(gòu)建筑中由于柱子起到支撐整個建筑的承重作用，因此柱子的加工也十分重要。我們在故宮、天壇看到的那些大殿的柱子，加工時一般要先把木材刨光打磨，之后在表面纏上麻絲，再在麻絲外刷上灰，等灰和麻絲固結(jié)干燥后，再重復(fù)五遍這樣的工藝，最后，再刷上防雨漆。這樣處理后的柱子可以支撐住木框架，保證建筑的一體性。

木結(jié)構(gòu)建筑中不用木材的地方有兩處，一是基礎(chǔ)，二是屋頂?shù)耐?。由于材質(zhì)不同，它們與木材之間是怎樣連接的呢？

由于柱子為木制，所以立柱與基礎(chǔ)之間放置柱腳石，以防止柱子受潮腐蝕。柱子、柱腳石、基礎(chǔ)三者之間是不存在可靠連接的，而是直接把柱腳石放置于基礎(chǔ)上，再把柱子立置于柱腳石上。這樣受到震動時，柱子可以小幅度移動。

瓦與木材是通過一種特制的粘合劑連接的，首先把青灰、白灰、麻刀絲拌勻，均勻地涂抹在屋頂木材上，大約涂4公分厚，之后再涂上8公分厚的黏土與白灰混合的大泥，最后把瓦鋪在這上面，等干燥后，瓦與木材就連接在一起了。所以，我們常?？吹揭恍┠甏眠h(yuǎn)的木結(jié)構(gòu)建筑屋頂上長草。

大范圍推廣有局限

既然木結(jié)構(gòu)建筑有很好的抗震性能，為何不大面積推廣呢？

人生活在地球上并不是只有地震這一種災(zāi)害要面對，房屋建筑還要滿足防風(fēng)、防雨、防火、防蟲蛀等多種要求，這樣看，木結(jié)構(gòu)建筑的功能就顯得單一了。因此，目前世界上的主要建筑還是以磚混建筑為主。

盡管木結(jié)構(gòu)建筑有一定的抗震特性，但是，它受高度限制，除了一些木塔外，很難看到高于20米的木結(jié)構(gòu)建筑。由于現(xiàn)代建筑越建越高，所以木結(jié)構(gòu)建筑逐漸退出歷史舞臺，取而代之的是混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，而如果超過100米，則多用鋼結(jié)構(gòu)，因為鋼結(jié)構(gòu)重量比混凝土輕，而且抗拉伸力也較好。

平時人們在美國、日本看到的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑多為一兩層的，這與木材的特性有關(guān)，對于高層建筑來說，天然木材力學(xué)性能有限，加上防火的要求，所以木結(jié)構(gòu)不適合高層建筑。

盡管木結(jié)構(gòu)建筑已不再是現(xiàn)代建筑舞臺的主角，但是其獨特的構(gòu)造理念和力學(xué)設(shè)計還是值得人們?nèi)パ芯亢徒梃b。（責(zé)任編輯/喻曉）endprint