故宮太和殿燕尾榫的抗震性研究

文 劉軍平 仵 晨 石小禾

我國(guó)地處環(huán)太平洋與歐亞大陸這兩大地震帶之間，是一個(gè)地震活動(dòng)頻發(fā)的國(guó)家。雖然歷史上經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次大大小小的地震，但是我國(guó)眾多木結(jié)構(gòu)古建筑安然無(wú)恙、保存完好，常常出現(xiàn)“墻倒屋不塌”或“整體結(jié)構(gòu)無(wú)恙”。如遼代的應(yīng)縣木塔、天津薊州區(qū)獨(dú)樂(lè)寺等建筑經(jīng)歷了二十余次地震，仍然屹立不倒。最令人驚嘆的是北京故宮中的太和殿，經(jīng)歷222次大小地震，卻始終巍然聳立。事實(shí)證明，這是古人將抗震思想應(yīng)用于建筑的結(jié)果，反映出古建筑木結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵技術(shù)具有卓越的抗震性能。

一、燕尾榫之起源

相傳魯班接到了國(guó)君的指令，要建設(shè)一所與眾不同、別具一格的涼亭，他在毫無(wú)設(shè)計(jì)方案的情況下，看到妻子做好的魚(yú)，將筷子前端扎進(jìn)魚(yú)嘴，末端拖住魚(yú)尾，以固定魚(yú)的形態(tài)。魯班受到啟發(fā)，將風(fēng)水涼亭的梁柱設(shè)計(jì)成兩條魚(yú)四目相對(duì)，柱子和梁通過(guò)魚(yú)口連接，左右兩側(cè)柱子的兩條小魚(yú)，魚(yú)魚(yú)相望、連連有魚(yú)，與《莊子·大宗師》中講述的“河流干枯，兩魚(yú)通過(guò)嘴對(duì)嘴呼吸傳遞濕氣而維持存活”有異曲同工之處。莊子的兩條魚(yú)是為了愛(ài)情至死不渝，而魯班的兩條魚(yú)是為古建筑堅(jiān)韌不拔、陰陽(yáng)互補(bǔ)。垂直方向的形式有了，但水平方向的連接卻是魯班面對(duì)的更大挑戰(zhàn)難題。此時(shí)魯班發(fā)現(xiàn)一只腹部受傷的小燕子，尾巴呈八字形卡在了兩繩之間，便以此為原型，用燕子尾巴相錯(cuò)落的方式去連結(jié)兩條魚(yú)頭部，讓垂直方向的魚(yú)與水平方向的燕尾相互咬合，發(fā)揮出強(qiáng)大的耐受力和抗衡力，而這一木結(jié)構(gòu)方式被尊稱(chēng)為“燕尾結(jié)構(gòu)”。所以說(shuō)，燕尾榫是魯班所創(chuàng)造的。

“燕尾結(jié)構(gòu)”的制作方法大致如此：首先確定燕尾的長(zhǎng)度，并劃線(xiàn)標(biāo)注，再確定尾榫的位置，將尾榫中間不需要的地方進(jìn)行鑿除，然后將榫頭的輪廓線(xiàn)復(fù)制到面板上，依據(jù)榫頭的深度鑿出面板中不需要的部分，最后將燕尾和榫頭打磨修整，對(duì)齊安裝。就這樣燕尾榫制作完成，之后被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域。例如，漢平陽(yáng)府君闕、天壇祈年殿和故宮群等建筑都廣泛使用了燕尾榫。在故宮古建筑群中使用最多最廣的榫卯結(jié)構(gòu)就是魚(yú)和燕尾相互咬合的燕尾榫，常常使用于梁柱之間來(lái)作為主要力量架構(gòu)房子的承重。例如，太和殿前檐柱與額枋連接處的榫卯節(jié)點(diǎn)就是典型的燕尾榫結(jié)構(gòu)。“太和殿的主要構(gòu)造特點(diǎn)之一即梁與柱之間采用榫卯節(jié)點(diǎn)形式連接，各構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)以榫卯相吻合，構(gòu)成富有彈性的框架。榫卯連接使中國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(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(guò)變形抵消一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)?！雹龠@種榫卯節(jié)點(diǎn)有一大特點(diǎn)，額枋的榫頭為燕尾形，前檐柱頂?shù)拿跒橥笮?、同形態(tài)的凹口形。這樣額枋由上而下插入前檐柱頂后，榫頭截面是前寬后窄，就不易從卯口的凹口形中拔出，造成脫榫現(xiàn)象，因此便形成了穩(wěn)定牢固的連接。

圖1 太和殿燕尾榫彩色畫(huà) （2020年11月11日拍攝于故宮）

二、太和殿榫卯結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造

榫卯是應(yīng)用道家陰陽(yáng)原理在兩個(gè)構(gòu)件上采用凹凸結(jié)合的連接方式。凸出部分是陽(yáng)也叫榫，凹進(jìn)部分是陰稱(chēng)作卯，榫和卯咬合如同陰陽(yáng)互補(bǔ)，這種連接如同大千世界的陰陽(yáng)原理。榫卯原理在新石器文化的河姆渡遺址的木結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有發(fā)現(xiàn)，顯示了我國(guó)易學(xué)思想早就滲透在建筑領(lǐng)域。太和殿木結(jié)構(gòu)最主要是榫卯原理，它結(jié)構(gòu)精確、扣合嚴(yán)密，從大的柱體到小的椽沿接口都體現(xiàn)了卯榫結(jié)構(gòu)原理。“木構(gòu)件之間普遍采用榫卯連接是中國(guó)古代木構(gòu)建筑的一個(gè)顯著特點(diǎn)?！尽窃谀緲?gòu)件端部制作的可以插入卯內(nèi)的部分，‘卯’是在另外一個(gè)構(gòu)件上挖出的與榫相契合的開(kāi)口，榫插入卯口內(nèi)，兩個(gè)構(gòu)件就緊密結(jié)合在一起，這種結(jié)合稱(chēng)為榫卯，從而誘發(fā)出‘陰陽(yáng)互補(bǔ)，虛實(shí)相生’的哲理意蘊(yùn)?！雹诮?jīng)過(guò)筆者調(diào)研，太和殿木結(jié)構(gòu)不需要一釘一鐵，通過(guò)各種不同的契合手法，便可以使眾多構(gòu)件連接為牢固可靠的整體，從而建構(gòu)起了這座文明世界的建筑。

榫卯結(jié)構(gòu)按構(gòu)合作用歸類(lèi)為三大類(lèi)型：面與面的“燕尾榫”“槽口榫”“企口榫”等；點(diǎn)與點(diǎn)的“格肩榫”“雙榫”“雙夾榫”等；線(xiàn)與線(xiàn)的“托角榫”“長(zhǎng)短榫”等。其中，“燕尾榫”被證實(shí)是最牢固連接形式之一，稱(chēng)為“萬(wàn)榫之母”。燕尾榫又稱(chēng)作大頭榫、銀錠榫，是由左右兩塊平板直角相接而構(gòu)成的組件，榫頭為梯臺(tái)形，形似燕子展翅飛翔的尾羽。燕尾榫不但外觀(guān)優(yōu)美而且連接牢固，它的根部短窄、端部寬厚，在地震晃動(dòng)時(shí)，越受力榫與卯咬合越緊，以此來(lái)提高古建筑木結(jié)構(gòu)在地面的穩(wěn)定程度，充分體現(xiàn)了我國(guó)傳統(tǒng)古建筑的工藝水平，因此燕尾榫還被尊稱(chēng)為“異形結(jié)構(gòu)之母”。

榫卯結(jié)構(gòu)的連接有三種特性：一是剛性連接，二是半剛性連接，三是鉸接連接，三者的主要區(qū)分就在于其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。燕尾榫榫頭與卯口的連接屬于典型的半剛性連接?！八^ ‘半剛接’，即節(jié)點(diǎn)不能像鉸球一樣隨意轉(zhuǎn)動(dòng)（鉸接），也不像固定的剛架一樣完全無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)（剛接），而是介于鉸球和剛架之間的一種連接方式，其特征為可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但受到一定限制。”③燕尾榫的“半剛接”的連接特征直接可以對(duì)接古建筑抗震，它既可以轉(zhuǎn)動(dòng)也可以承受上下彎曲所受的壓力。半剛性連接的燕尾榫可以降低梁與柱構(gòu)架之間的震蕩幅度，也可以從一個(gè)梁上傳遞到另外一個(gè)柱子上。巨大地震能量相當(dāng)于上千顆原子彈爆炸，但我們的古建筑木結(jié)構(gòu)成功抵抗住了地震所釋放出來(lái)的能量，因?yàn)樗a(chǎn)生的地震能量會(huì)轉(zhuǎn)換與分散多種不同的能量。這些能量會(huì)傳送到古建筑榫卯木結(jié)構(gòu)上：一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為木結(jié)構(gòu)的形變，另外一部分能量轉(zhuǎn)化為木結(jié)構(gòu)的內(nèi)能。由于木質(zhì)材料的柔性還可以整體延緩木結(jié)構(gòu)的彎曲，例如木結(jié)構(gòu)發(fā)生無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各個(gè)方向的位置偏移。地震傳遞到房屋木結(jié)構(gòu)的剩余能量會(huì)轉(zhuǎn)化為本身震蕩的動(dòng)能，即榫頭與卯口會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，榫頭和卯孔之間是通過(guò)相對(duì)摩擦滑移運(yùn)動(dòng)來(lái)耗散部分地震能量，起到耗能防震減災(zāi)的作用，從而減小地震對(duì)古建筑整體的破壞。

圖2 三大類(lèi)榫卯結(jié)構(gòu)

三、太和殿燕尾榫的抗震原理

太和殿燕尾榫的特色是將前檐柱與額枋的連接做成了燕尾狀，并將其從上而下進(jìn)行安裝?！皬钠矫嫘螤羁囱辔查绢^非矩形，其特點(diǎn)是根部（榫頭后尾）窄而端部（榫頭前部）寬，此做法在古建領(lǐng)域被稱(chēng)為‘乍’；從立面形狀來(lái)看，燕尾榫頭亦非矩形，其下部窄、上部寬，這種做法在古建領(lǐng)域被稱(chēng)為‘溜’。”①燕尾榫中的“乍”結(jié)構(gòu)，榫頭一旦插進(jìn)卯口后，就不會(huì)輕易從卯口的水平方向拔出。其主要原因?yàn)殚绢^在卯口水平方向往外拔出的過(guò)程中，越往外拔榫頭豎截面受力面積越大，接觸面積增大摩擦力增大，所需要的水平外力也逐漸增大，而榫頭和卯口之間就被擠得更加緊密，因此，燕尾榫結(jié)構(gòu)是不容易產(chǎn)生水平方向脫榫的。同理，燕尾榫中的“溜”結(jié)構(gòu)在從上往下的安裝過(guò)程中，越往下端燕尾榫的榫頭和卯口間的水平截面、受力面、接觸面都隨之增大。兩者接觸過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力增大，豎向外力也逐漸增大，由此得知榫頭與卯口在豎向連接牢固，依然不會(huì)輕易發(fā)生垂直方向脫榫?！罢А焙汀傲铩边@兩種燕尾榫結(jié)構(gòu)，都從根本上有效、有力地保障了榫頭與卯口之間的可靠連接，使古建筑具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖 3 太和殿燕尾榫結(jié)構(gòu)（2020年11月11日拍攝于故宮）

注釋?zhuān)?/p>

①王建省、康怡揚(yáng)、白雪悅:《殿堂木結(jié)構(gòu)與仿木結(jié)構(gòu)對(duì)比研究》，《建筑結(jié)構(gòu)》2016年第S1期，第391頁(yè)。

②陳明達(dá)：《營(yíng)造法式大木作終究》，北京：文物出版社，1981。

③周乾：《紫禁城古建筑的傳統(tǒng)防震方法》，《工業(yè)建筑》2019年第6期，第213頁(yè)。

燕尾榫的抗震原理主要得益于它的安裝方法，其主要安裝方式是由上而下逐一進(jìn)行的。按照?qǐng)D2中的榫卯結(jié)構(gòu)，故宮太和殿的安裝工序大概如此：第一步是前檐柱的安裝，第二步進(jìn)行額枋的安裝，第三步使用磚瓦來(lái)砌墻。在豎向安裝時(shí)，梁枋端部做成燕尾榫榫頭的形式，這樣做的目的不光有利于燕尾榫的榫頭與卯口在垂直方向的擠壓，還有利于柱子的定位，既保證了安裝后的榫頭不會(huì)輕易從卯口拔出，也保證了前檐柱不會(huì)扭轉(zhuǎn)偏移。一旦安裝方式發(fā)生改變，效果就不盡如人意。例如，先在水平方向上安裝額枋，則需要前檐柱不斷偏移錯(cuò)位來(lái)騰出燕尾榫的榫頭安裝空間，這樣前檐柱的安裝位置就會(huì)發(fā)生改變，燕尾榫的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)大幅度下降。此外，如果榫頭水平方向插入卯口中，卯口的初始截面尺寸和榫卯節(jié)點(diǎn)的連接功能都遭到破壞，這樣影響其平穩(wěn)性。綜上原理得出，最適應(yīng)燕尾榫的安裝方式是上下方向安裝榫頭，這樣做的好處不僅有利于燕尾榫本身的穩(wěn)固，而且對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)整體的損壞也減小到最小。

通過(guò)故宮太和殿燕尾榫的大量研究發(fā)現(xiàn)，燕尾榫是當(dāng)今世界公認(rèn)最牢固的一種榫卯結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)之一。該榫卯以其穩(wěn)定性與抗震性的結(jié)構(gòu)原理在古建筑木結(jié)構(gòu)連接中大放光彩，也憑借它高強(qiáng)度的木質(zhì)結(jié)構(gòu)具有超強(qiáng)的抗拉扯、抗形變能力。燕尾榫在發(fā)生劇烈地震時(shí)，不但能承載較大的地震能量，而且允許其木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的形變，通過(guò)形變減小的地震響應(yīng)來(lái)抵消地震所產(chǎn)生的能量。燕尾榫不但具有通過(guò)相互擠壓來(lái)耗散地震能量而達(dá)到建筑力學(xué)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而且具有藝術(shù)形式美中橫線(xiàn)與豎線(xiàn)構(gòu)成的美學(xué)價(jià)值，這樣保證故宮太和殿經(jīng)歷多次大地震而完好無(wú)損的原始性和完整性。

注釋?zhuān)?/p>

①李珍梅、周乾：《故宮古建筑梁柱榫卯連接的智慧技術(shù)》，《建筑技術(shù)》2020年第2期，第252頁(yè)。