淺析中國古建筑抗震設計

關曉迪

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

關鍵詞：斗拱；榫卯連接；大屋頂；側腳；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，有一個現象引起了很多學者的關注，那就是許多現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，主體結構并未倒塌，此種現象促使更多人關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，經歷過無數次地震，卻依然屹立。我們不禁要問：是怎樣的科學構造，讓中國古建筑能夠做到“墻倒屋不塌？”能夠歷經千年，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，但本文從結構受力的角度，分析古代木結構的抗震設計，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計。

斗栱出現的年代很早，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件穿插而成的，最終形成一個完整的組合構件。最少的斗栱是由3個構件組成，最多的共有64個構件，各個構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塑性。所以，整個斗栱結構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，構件與構件之間幾乎都是利用榫卯連接，結合在一起的。榫卯的作用在于使千百件獨立、松散的構件，緊密結合成一個符合設計要求和使用要求的具有承受各種荷載能力的完整的結構體，榫卯的形式很多，但總的特點是榫頭與卯眼兩構件結合時，越壓越緊，越

拉越松，若遇地震時，榫卯的這種結合，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。今天我們在做結構設計的時候，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件組合成一個大構件，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，現在所加的阻尼裝置，也起到了這種作用。

古代木結構建筑中，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，經過巧妙的組合形成向上微翹的飛檐，構成了穩(wěn)重協調的大屋頂，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，與硬山頂的區(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的基礎上兩面各切兩刀。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。與房屋內部的結構相比，上部屋頂的重量要遠遠大于下部木構架的重量，這不僅能夠提高屋頂的整體剛度，同時也形成了下部柱架的良好約束，大大提高了木結構的整體性和穩(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，地震作用是根據剛度分配的，屋頂的剛度大，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，也正是因為大屋頂的重量大，剛度大，才為各個木構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構的抗震起著重要作用。

古代木結構中柱架設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，古代木結構的大多采用明礎，即將木柱立于礎石上，柱底與礎石之間可以相互錯動，亦可成為“柱底浮擱”，此種設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，保護上部結構，很多古建筑在經歷過地震后，柱腳都會產生滑移，但整體結構依然安然無恙。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。它是中國距離大海最近的古建筑之一。此建筑最奇妙的設計在于，支撐整體建筑的36根圓柱均支撐在入土10厘米的柱礎上，而柱礎下部并沒有設置任何人造基礎。這在現代設計中，幾乎是不可能完成的。數百年來，據史書記載，該地區(qū)經歷過多次地震，由于緊鄰大海，風暴襲擊更是不計其數，但大士閣卻依然屹立在海邊，這給了后來的抗震設計很多新思路，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計外，側腳和生起也是古代木結構抗震的又一利器。所謂側腳，就是立柱之前將柱底面做成小斜面，木柱立起后，則令柱頭微微向內收進，側腳則是微微向外，此時，柱架的外立面是成正“八”字。柱頂的荷載重量會使柱頭間保持自動向內擠緊，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。側腳的設計使得結構產生的恢復力總是指向結構再地震前的靜止位置，而方向總是和柱架振動側移方向相反，這是十分合理的，這樣的設計使得作用于結構的能量一定要先克服重力沿縱軸傾斜方向分力做功，這樣的設計對于減震耗能是十分有效的?！皞饶_”的設計有效的防止了榫卯脫節(jié)，同時也具有良好的減震功效。柱架的設計中，還有一個別具匠心的設計，即為“生起”，“生起”是指檐柱由中心向兩側依次增加柱高。生起的柱架使屋頂處于上凹的“皿”中，這樣的設計能夠降低結構重心，對于抗震同樣是有利的。

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

參 考 文 獻

[1] 張丹.斗拱藝術與結構機能演變歷史的研究[D].東北林業(yè)大學，2005.

[2] 羅勇.古建木結構建筑榫卯及構架力學性能與抗震研究[D].西安建筑科技大學，2006.

[3] 姚侃.木結構古建筑的結構特性及抗震性能研究[D].西安建筑科技大學，2007.