關(guān)曉迪

摘 要：中國很多古建筑，歷經(jīng)多次地震，依然屹立不倒。本文主要從斗栱、大屋頂和柱架構(gòu)造方面淺析古代木結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計理念和設(shè)計細節(jié)。以柔克剛是古代木結(jié)構(gòu)抗震的基本理念，榫卯連接、柱底浮擱等細節(jié)都是這一理念的完美體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：斗拱；榫卯連接；大屋頂；側(cè)腳；生起

中圖分類號： TU8 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）14-99-2

汶川地震中，有一個現(xiàn)象引起了很多學者的關(guān)注，那就是許多現(xiàn)代建筑在地震作用下變成了廢墟，而有些古建筑卻只是外墻坍塌，主體結(jié)構(gòu)并未倒塌，此種現(xiàn)象促使更多人關(guān)注中國古建筑的抗震性能。事實上，中國古建筑的抗震性能，已經(jīng)通過大量屹立千年的建筑得到充分證明，如山西五臺縣佛光寺大殿，始建于公元857年；天津薊縣獨樂寺觀音閣，

建于公元984年；山西應(yīng)縣木塔，始建于公元1056年，福

州華林寺，建于公元964年，河南嵩山少林寺初祖庵大殿，

建于公元1125年，還有很多不知名的古建筑，他們都有幾

百甚至上千年的歷史，經(jīng)歷過無數(shù)次地震，卻依然屹立。我們不禁要問：是怎樣的科學構(gòu)造，讓中國古建筑能夠做到“墻倒屋不塌？”能夠歷經(jīng)千年，依然屹立？本文就來簡析這一問題。

木材本身就有很好的延性，這對于抗震十分有利，但本文從結(jié)構(gòu)受力的角度，分析古代木結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，主要從最具中國古建筑特色的斗栱、大屋頂，以及柱架三方面分別介紹，首先介紹斗栱的抗震設(shè)計。

斗栱出現(xiàn)的年代很早，從漢代出土的明器上即可以看到早期斗栱的樣式，到唐宋時期，這種斗栱的形制已經(jīng)發(fā)展得很成熟了，宋代的《營造法式》將斗栱稱為“鋪作”，而《工程做法則例》中則成為“斗科”，這些都可以統(tǒng)稱為“斗栱”，其中的“鋪作”或“科”，實際上就是指一組斗栱，。

所謂斗栱，是指建筑物屋蓋與柱架之間的過渡部分。斗是斗形，類似于方形墊塊，它的抗壓性很強，位于斗栱的下部；栱是弓形的短木，斗的上面放置栱，栱是弓形的短木，起支撐作用，栱架在斗上，向外挑出，栱端之上再安斗，這樣一層一層縱橫交錯疊加放置，形成上大下小的托架，連接斗栱的還有昂、華栱、枋、散頭、耍頭等諸多部件，一組斗栱，就是由這許多精妙絕倫的構(gòu)件穿插而成的，最終形成一個完整的組合構(gòu)件。最少的斗栱是由3個構(gòu)件組成，最多的共有64個構(gòu)件，各個構(gòu)件之間的接觸面光滑，當受到較大荷載時都會發(fā)生微小滑移，且相對混凝土等材料，木材的各種材料強度偏低，尤其在橫紋方向，木材的強度很低，在一定的荷載作用下，材料就會屈服而出現(xiàn)塑性。所以，整個斗栱結(jié)構(gòu)具有減震耗能的作用。

斗栱除了以上抗震性能外，斗栱中各構(gòu)件的連接，以及整個建筑的連接均采用古建筑獨有的榫卯連接。

所謂榫卯，榫是指連接中的凸出部分，也可叫榫眼，卯是指凹進部分，也可叫卯頭，古建筑中，構(gòu)件與構(gòu)件之間幾乎都是利用榫卯連接，結(jié)合在一起的。榫卯的作用在于使千百件獨立、松散的構(gòu)件，緊密結(jié)合成一個符合設(shè)計要求和使用要求的具有承受各種荷載能力的完整的結(jié)構(gòu)體，榫卯的形式很多，但總的特點是榫頭與卯眼兩構(gòu)件結(jié)合時，越壓越緊，越

拉越松，若遇地震時，榫卯的這種結(jié)合，使得建筑物的主要

部件，往往只晃動一下，隨后又能恢復到原來位置，從而起

到抗震作用。今天我們在做結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，一些高層建

筑，柱與梁之間要有一個阻尼裝置，這個裝置就類似于古代的斗栱，斗栱就是利用榫卯將各個小構(gòu)件組合成一個大構(gòu)件，那么這個斗栱的榫卯，就可以在地震來的時候，通過榫卯的錯動吸收地震能量，現(xiàn)在所加的阻尼裝置，也起到了這種作用。

古代木結(jié)構(gòu)建筑中，極具中國古建筑特色的部分，除了斗栱，還有一個即為大屋頂，有人將這種優(yōu)美的屋頂造型稱之為“中國建筑之冠冕”，巨大的體量和柔和的曲線，使大屋頂成為中國建筑中最突出的形象?？此坪唵蔚闹本€和曲線，經(jīng)過巧妙的組合形成向上微翹的飛檐，構(gòu)成了穩(wěn)重協(xié)調(diào)的大屋頂，房屋的面積越大，屋頂則越高大，這種屋頂不但體型碩大，而且還是曲面形的，屋頂四面的屋檐也是兩頭高于中間，整個屋檐形成一條曲線，不僅受力比直坡面均勻，而且易于屋面合理的排送雨雪，這是中國建筑所特有的。古代文人將它們形容成“如鳥斯革，如翚斯飛”，如翚鳥展翅高飛，碩大的屋頂變得輕巧，這是古代匠人的一種創(chuàng)造，經(jīng)過長期的實踐，創(chuàng)造了幾種基本的屋頂形式，分別為：硬山、懸山、廡殿頂，以及歇山，硬山是指兩面坡，兩邊的屋檐不出挑，北京

的四合院多為硬山頂，懸山也是兩面坡，與硬山頂?shù)膮^(qū)別

在于兩面屋檐出挑，廡殿頂則是四面坡，而歇山屋頂就是指在廡殿頂?shù)幕A(chǔ)上兩面各切兩刀。其中，最為隆重的是廡殿頂，歇山頂次之，而后為懸山頂，最后為硬山。在逐漸的演化過程中，屋頂形式也形成一種等級。這與封建王朝的思想相吻合。

大屋頂除具有美麗的曲線和封建王朝的象征意義外，它對于抗震也是十分有利的。與房屋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相比，上部屋頂?shù)闹亓恳h遠大于下部木構(gòu)架的重量，這不僅能夠提高屋頂?shù)恼w剛度，同時也形成了下部柱架的良好約束，大大提高了木結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，這就起到了良好的抗震作用，但同時我們也要注意到，地震作用是根據(jù)剛度分配的，屋頂?shù)膭偠却?，則會吸收更多的地震力，從這方面看，大屋頂是不利于抗震的，但是，也正是因為大屋頂?shù)闹亓看?，剛度大，才為各個木構(gòu)件之間的榫卯連接提供了足夠的摩擦力，這些摩擦力對于提高梁柱之間的整體性能，以及對于整體房屋的穩(wěn)定性是十分重要的。因此，大屋頂對于中國古建筑木結(jié)構(gòu)的抗震起著重要作用。

古代木結(jié)構(gòu)中柱架設(shè)計雖不像大屋頂和斗栱那樣引人注目，但他們對于抗震的作用卻是不可小覷的。首先介紹的柱礎(chǔ)，古代木結(jié)構(gòu)的大多采用明礎(chǔ)，即將木柱立于礎(chǔ)石上，柱底與礎(chǔ)石之間可以相互錯動，亦可成為“柱底浮擱”，此種設(shè)計不但可以保護有效保護柱根不受腐蝕，還可以使柱根在地震力作用下，產(chǎn)生位移，通過這種不傳遞彎矩的方法，可以有效的消耗地震力，保護上部結(jié)構(gòu)，很多古建筑在經(jīng)歷過地震后，柱腳都會產(chǎn)生滑移，但整體結(jié)構(gòu)依然安然無恙。柱腳浮擱最有利的證明就是“大士閣”，大士閣又名四牌樓，位于廣西北海合浦縣城東南85公里的山口鎮(zhèn)永安村內(nèi)。它是中國距離大海最近的古建筑之一。此建筑最奇妙的設(shè)計在于，支撐整體建筑的36根圓柱均支撐在入土10厘米的柱礎(chǔ)上，而柱礎(chǔ)下部并沒有設(shè)置任何人造基礎(chǔ)。這在現(xiàn)代設(shè)計中，幾乎是不可能完成的。數(shù)百年來，據(jù)史書記載，該地區(qū)經(jīng)歷過多次地震，由于緊鄰大海，風暴襲擊更是不計其數(shù)，但大士閣卻依然屹立在海邊，這給了后來的抗震設(shè)計很多新思路，也因此將大士閣又稱為“抗震閣”。

除了木柱的根部有如此獨特的設(shè)計外，側(cè)腳和生起也是古代木結(jié)構(gòu)抗震的又一利器。所謂側(cè)腳，就是立柱之前將柱底面做成小斜面，木柱立起后，則令柱頭微微向內(nèi)收進，側(cè)腳則是微微向外，此時，柱架的外立面是成正“八”字。柱頂?shù)暮奢d重量會使柱頭間保持自動向內(nèi)擠緊，使得上部部分榫卯從一開始就具有抗張角剛度。在有擾動時，即便有部分的榫頭被拔出，當外力消失后，預先向內(nèi)傾斜的柱頭壓重會自動將卯口推回，恢復擠緊。這也是榫卯連接不可替代的優(yōu)勢。側(cè)腳的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的恢復力總是指向結(jié)構(gòu)再地震前的靜止位置，而方向總是和柱架振動側(cè)移方向相反，這是十分合理的，這樣的設(shè)計使得作用于結(jié)構(gòu)的能量一定要先克服重力沿縱軸傾斜方向分力做功，這樣的設(shè)計對于減震耗能是十分有效的?！皞?cè)腳”的設(shè)計有效的防止了榫卯脫節(jié)，同時也具有良好的減震功效。柱架的設(shè)計中，還有一個別具匠心的設(shè)計，即為“生起”，“生起”是指檐柱由中心向兩側(cè)依次增加柱高。生起的柱架使屋頂處于上凹的“皿”中，這樣的設(shè)計能夠降低結(jié)構(gòu)重心，對于抗震同樣是有利的。

中國古建筑，歷經(jīng)無數(shù)次地震，至今依然屹立，這給后人的抗震設(shè)計留下了太多的啟示，以柔克剛的斗栱，預設(shè)斜面的側(cè)腳，增大摩擦的大屋頂，都是古代匠人順應(yīng)自然，合理利用力學規(guī)律的完美體現(xiàn)，抗震設(shè)計，早已拋棄“硬碰硬”的設(shè)計理念，如何消能減震，如何釋放能量才是研究的重點，從古代木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計中，我們找到了很好的答案。

參 考 文 獻

[1] 張丹.斗拱藝術(shù)與結(jié)構(gòu)機能演變歷史的研究[D].東北林業(yè)大學，2005.

[2] 羅勇.古建木結(jié)構(gòu)建筑榫卯及構(gòu)架力學性能與抗震研究[D].西安建筑科技大學，2006.

[3] 姚侃.木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)特性及抗震性能研究[D].西安建筑科技大學，2007.