原標題：故宮古建筑如何防震抗震？

周乾

【資料圖】

土耳其靠近敘利亞邊境地區最近發生的地震造成了大量人員傷亡及建筑破壞，位于震中附近的加濟安泰普城堡，具有近兩千年歷史，在地震中嚴重受損。反觀自明永樂十八年（1420年）建成至今的600余年里，故宮遭受地震至少222次，鮮有建筑因地震遭受嚴重破壞的記載。故宮建筑不僅結構形式有利于抗震，而且包含了豐富的防震做法，體現了我國古代工匠卓越的建筑智慧。

1.木結構可使“墻倒屋不塌”

此次土耳其在地震中受到破壞的文化遺產建筑，結構形式均屬于砌體結構。其主要特點是：以磚石為核心承重材料，即采用磚石墻來承擔屋頂重量，并將屋頂重量通過墻體傳至地基。盡管磚石本身的硬度、抗壓強度遠大于木材，但是由于磚石塊體之間采用砂漿連接，砂漿抗拉、壓、剪強度差，因而抗震性能很差。地震作用多以水平方向為主（豎向地震影響一般不大，除非高層大跨度結構，或特殊的場地條件，或高烈度地震作用等），在水平地震作用下，砂漿很容易松散，導致磚石墻體松動、開裂，誘發建筑倒塌。

以故宮建筑為代表的中國古建筑的結構形式以木結構為主。這種結構的主要特點是：木梁、木柱為建筑核心承重材料，斗拱、梁枋支撐上部屋頂傳來的重量，并向下傳給柱；柱再把屋頂重量向下傳至地基；墻體單獨砌筑，不承擔屋頂重量，僅起保溫隔熱作用。由于木材具有良好的彈性，且地基、立柱、榫卯、斗拱等構造做法，均有利于防震，因而建筑整體具有優秀的抗震性能?！皦Φ刮莶凰笔菍蕦m古建筑抗震性能較為客觀的評價。

2.地基密實糯米“隔震”

故宮古建筑的地基為“一塊玉”做法。這種地基的特征為：原有土層被全部挖去，重新使用人工回填土。人工回填土一層三七灰土（生石灰粉：黃土=3：7，質量比）、一層碎磚，由下至上反復交替。

為什么地基不是全部做灰土分層，而非得要一層灰土、一層碎磚交替使用呢？地基做得均勻平實，一旦遇到地震作用，可以有效避免建筑物不均勻下沉?；彝敛牧弦话惚容^松軟，其柔性強就意味著硬度低。當上部建筑的重量較大、地震力較強時，盡管建筑均勻下沉，但下沉量會過大。相比而言，碎磚的硬度遠大于灰土，其大部分屬于燒窯或砌墻用的殘余料。過篩子后碎磚尺寸相近，和灰土層交替使用，做成“一層灰土一層碎磚”的形式，不僅有效使用了建筑材料，而且減小了古建筑的沉降量。

故宮古建筑地基中含有糯米，也有利于建筑防震。日本學者武田壽一的著作《建筑物隔震、防震與控震》中，有這么一段關于故宮古建筑地基成分的描述：“1975年開始的三年中，在建造設備管道工程時，以紫禁城中心向下約5至6米的地方挖出一種稍黏有氣味的物質。研究結果表明似乎是‘煮過的糯米和石灰的混合物’。”糯米具有很好的黏性，摻入灰土地基中，可使地基具有良好的整體性和柔韌性，類似于硬度較高的均勻面糊團。地震發生時，地基產生整體均勻變形，可延長建筑的晃動周期，錯開地震波的峰值，減小地基及上部建筑的破壞。糯米地基抵抗地震的這種方式，我們稱為“隔震”。

3.高大立柱平擺浮擱

故宮古建筑的立柱柱根不是插入地下，而是平放在一塊石頭的頂面。該石頭稱為“柱頂石”，柱底與柱頂石的連接做法稱為平擺浮擱。柱根平擺浮擱于柱頂石的做法，是我國古代工匠智慧的體現。一方面，木材在封閉的環境中容易糟朽，立柱柱根若插入地底下，那么很可能因為空氣不流通而糟朽。另一方面，這也是隔離地震的需要。若柱根插入柱頂石內，在強大的地震力作用下，柱根很容易折斷并造成古建筑破壞。而平擺浮擱的做法，使得在地震發生時，柱根反復在柱頂石表面運動，不僅不會折斷，而且可以產生“四兩撥千斤”的隔震效果。柱根橫截面小于柱頂石橫截面，可以保證柱根始終在柱頂石表面往復滑動，而不會從柱頂石上掉下來。

故宮古建筑的立柱還有側腳做法。所謂“側腳”，就是檐柱（建筑最外圈的立柱）頂部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。側腳的尺寸約為立柱高度的1%，側腳后木構架形成“外八字”的造型。這種做法不但使整個建筑物顯得更加莊重、沉穩有力，而且有利于建筑抗震。

在發生地震時，立柱與梁之間的榫卯連接，使得彼此之間產生相對晃動。未設側腳的木構架體系，其在水平外力作用下不斷往復搖擺，構架輪廓由“矩形”變成“平行四邊形”。而這種“平行四邊形”的連接體系，在物理學上可稱為“瞬間失穩體系”，極易破壞。而設置側腳的木構架體系，柱與柱的延長線會相交于一點，形成“虛交點”，使得建筑輪廓猶如一個三角形。三角形體系屬于穩固體系，不易破壞。柱身側腳做法，可以約束木構架的晃動，木構架盡管產生搖晃，其輪廓始終保持為三角形狀，因而不易破壞。另外側腳使得柱頂卯口與梁端榫頭擠緊，增強了榫卯節點的抗震性能。這種設有側腳的連接體系，在物理學上稱為“三角形穩定體系”。

4.榫卯斗拱耗散地震能量

榫卯節點、斗拱均為我國古建筑特有的構造。榫卯是指榫頭與卯口，榫頭位于梁端，被加工成凸出形狀；卯口位于柱頂，被加工成凹進形狀。榫頭插入卯口中，就形成榫卯連接；而榫頭、卯口的統一體，稱為榫卯節點。故宮古建筑的榫卯節點有數十種，其中最常見的一種稱為“燕尾榫”。燕尾榫節點的特征是：榫頭被加工成燕子尾巴形狀，榫頭尺寸前大后??；對應的卯口相應做成凹口形狀，尺寸前小后大。燕尾榫的安裝方式由上向下進行，榫頭插入卯口后，彼此形成牢固搭扣，因而安裝后的榫頭不容易從卯口中拔出。

從力學角度來講，榫卯節點屬于半剛接節點，其特點是：榫頭與卯口之間，既不能隨意轉動，也不是完全固定，而是產生一種受到約束的轉動。這種節點是非常有利于古建筑抗震的。因為在正常情況下，榫卯節點連接是比較牢固的。而發生地震時，地震力促使榫卯節點產生轉動，這種轉動并非大幅度轉動，而是一種受到約束的轉動。約束力由榫頭與卯口之間的擠壓產生，這種轉動有利于減小建筑構架的晃動幅度，且由于榫頭與卯口之間形成有力搭扣，因而榫頭很難從卯口拔出，使得在地震作用下，大木構架不易散架。

不僅如此，從能量守恒原理看，榫卯節點耗散了部分地震能量，有利于減小對大木構架的破壞。這是因為：地震能量傳到古建筑木構架上，轉化為三個部分：變形能，該能量使得大木構架搖擺；內能，該能量使得構架產生破壞；動能，該能量使得榫卯節點運動，即榫頭與卯口產生相對運動。在地震能量、變形能不變的情況下，榫卯節點接收的動能越大，構架接收的內能越小，構架就越不容易被破壞。因此，榫卯節點是中國古建筑的重要抗震做法。

斗拱是位于柱頂之上、屋檐之下的組合體，由很多小尺寸的斗形、弓形的木構件組成。斗拱的各個組件在縱橫方向搭扣連接，而后在豎向又層層疊加起來，其外形猶如一把把撐開的傘。

故宮古建筑的斗拱類型很豐富，如位于兩根立柱之間的斗拱稱為“平身科斗拱”，位于柱頂之上的斗拱稱為“柱頭科斗拱”，位于建筑四個轉角部位的斗拱稱為“角科斗拱”等。這些斗拱不僅造型優美，而且包含了古人豐富的抗震智慧。無論是水平向還是垂直向的地震波，都不會造成斗拱破壞。發生水平地震時，斗拱的各個構件之間互相摩擦、擠壓，并產生往復運動，猶如一個運動的機構體系。

從能量守恒角度對斗拱分析：地震波的能量傳到斗拱位置時，主要分成兩個部分：斗拱的內能及斗拱的動能，斗拱內能即自身產生開裂破壞的根本原因，內能越大，斗拱破壞越嚴重。斗拱能量的另一個組成部分即動能，占的比例遠大于自身的內能，其原因在于每個斗拱由上百個小構件組成，它們猶如機器的零件一樣，在地震作用下不斷產生各種運動，耗散了大量的地震能量，從而使得斗拱內能的比例很小，因而斗拱在地震作用下幾乎不會破壞。事實上，大量的古建震害勘查結果表明，斗拱在地震作用下一般保存完好。

此外，故宮古建筑的梁架、屋頂、墻體等構造，均對建筑有不同的抗震貢獻。有科學研究表明，以故宮古建筑為代表的我國古建筑，可以抵抗烈度達11度的地震，而砌體類建筑一般在烈度7度的地震作用下就會開裂、倒塌。中國古建筑的防震智慧，值得我們不斷學習，積極傳承。

（作者單位：故宮博物院）

標簽： 地震作用 結構形式