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        木結(jié)構(gòu)建筑抗震之謎

        2014-04-02 18:59:24魏剛
        大眾科學(xué) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:觀音閣斗拱木結(jié)構(gòu)

        魏剛

        在歷史的長(zhǎng)河中,由于地理差異,人類社會(huì)逐漸形成兩大建筑結(jié)構(gòu)。一種是以磚石為主的堅(jiān)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(guó)的殿閣樓臺(tái)。

        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(huì)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(shí)將城堡和教堂放在一邊,來看一看木結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)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(shí)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(guó)科學(xué)家進(jìn)行了一次木結(jié)構(gòu)建筑抗震實(shí)驗(yàn)。他們?cè)谝蛔鶎?shí)驗(yàn)工作臺(tái)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(jí)的人造地震,震動(dòng)持續(xù)了40秒鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)強(qiáng)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(guó)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(dú)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(dú)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(jí)以上強(qiáng)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(gè)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(shí),當(dāng)?shù)卦l(fā)生過6.5級(jí)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(dòng)。上世紀(jì)初軍閥混戰(zhàn)的時(shí)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(guó)工程院院士、中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所原所長(zhǎng)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(shí),天然木材一般比較輕,整個(gè)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(zhǎng)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?yàn)橐讛嗔眩瑒t不會(huì)用在木結(jié)構(gòu)建筑中。高級(jí)的木結(jié)構(gòu)建筑的連接件會(huì)用金絲楠木等成材年份長(zhǎng),韌度高的木材,但在國(guó)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?yàn)楹屎芨撸患犹幚硎褂脮?huì)導(dǎo)致建筑日后變形。因此,木材采伐運(yùn)輸后,要進(jìn)行烘干,一種是自然晾干,但是耗時(shí)長(zhǎng),一種是逐漸加溫烘干,時(shí)間短。烘干后的木材在壓力下可以變形,但不會(huì)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(shì)。

        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(dòng),它會(huì)吱扭作響,但是椅子不會(huì)散架。

        我國(guó)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(shí)的。地基上面是基礎(chǔ),一般是獨(dú)立基礎(chǔ),也就是砌個(gè)大磚臺(tái)。一旦發(fā)生震動(dòng),雖然下面的地基會(huì)晃動(dòng),但是由于上面是個(gè)整體,所以晃動(dòng)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(dòng)。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(dòng),但是建筑本身沒有倒塌。這種特點(diǎn)使人們?cè)诖蟮卣疬^后經(jīng)??吹健皦Φ刮莶凰钡木跋?。

        如果說基礎(chǔ)和柱子讓木結(jié)構(gòu)建筑有個(gè)堅(jiān)實(shí)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(huì)讓各構(gòu)件分開,同時(shí)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(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(guó)木結(jié)構(gòu)建筑中有個(gè)獨(dú)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(huì)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(gè)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(cuò)逐級(jí)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(gè)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(dú)樂寺觀音閣之所以在多次強(qiáng)震中屹立不倒,主要是斗拱起了作用,觀音閣的斗拱設(shè)計(jì)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(shí)能及時(shí)減緩?fù)獠康膲毫?,具有很?qiáng)的抗震性能。

        除斗拱外,在木結(jié)構(gòu)建筑中由于柱子起到支撐整個(gè)建筑的承重作用,因此柱子的加工也十分重要。我們?cè)诠蕦m、天壇看到的那些大殿的柱子,加工時(shí)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(dòng)時(shí),柱子可以小幅度移動(dòng)。

        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,我們常常看到一些年代久遠(yuǎn)的木結(jié)構(gòu)建筑屋頂上長(zhǎng)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(duì),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(tái),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?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)重量比混凝土輕,而且抗拉伸力也較好。

        平時(shí)人們?cè)诿绹?guó)、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(duì)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(tái)的主角,但是其獨(dú)特的構(gòu)造理念和力學(xué)設(shè)計(jì)還是值得人們?nèi)パ芯亢徒梃b。(責(zé)任編輯/喻曉)endprint

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