浅谈古建筑中木结构的抗震构造原理

方五军

【摘 要】 本文对我国传统古建筑的木结构特点，并通过对建筑物的体型、选材、结点等构造的分析，探讨并阐述了我国古建筑的抗震原理。

【关键词】 古建筑；木结构；抗震；构造；原理

1. 前言

我国的传统古建筑多数以砖瓦和木材作为主要的建筑材料，其中木构架结构基本是主要的结构形式。一般采用众多的木构件进行组合，形成一定的框架体系，柱网平面间采用均衡对称形式，形成格局。结构一般由横梁、立柱、顺檩搭建而成，不同构件间的结点往往通过榫卯来吻合，从而构成弹性框架。结构体系又可以具体分为穿斗、抬梁和干阑式三类。木结构建筑在防震抗震方面有很大优势，这种结构与今天的框架结构相类似，借由木材本身的特点及斗栱与榫卯存在伸缩余地等特点，能够在一定程度上减弱地震造成的危害，“墙倒屋不塌”正是对这种结构特点的形象说明。

2. 古建筑木结构抗震构造与原理

我国的古建筑以木结构为主，在构造上主要由基础、柱子、斗拱、梁架、屋顶等部分组成，其中，梁与柱采取榫卯节点形式连接，千百年来，它们历经了各种地震灾害而保持完好，体现出良好的抗震性能[1]。著名的义县奉国寺大殿，为我国现存最大的单层佛殿建筑，据寺内元、明、清碑刻记录，曾“经庚寅地震”（1920年武平6.7级地震）“无所坏”。1975年海城地震，义县处于主震断面线上，奉国寺山门、无梁殿等清代小型建筑多受损害，而大殿基本安然无恙[2]。海城地震，关帝庙与三学寺等一些古建筑只是瓦顶和外墙部门出现了轻微的损伤，建筑物整体基本完整。1976年，我国发生了唐山大地之，其中蓟县烈度为八度，独乐寺中矮小的建筑均发生了墙倒屋塌的现象，但辽代公元九八四年修建的高达二十余米的山门与观音阁却完整无损，这两座建筑皆为木结构。这些都充分说明了我国木结构式古建筑在抗震方面的性能是十分优越的。

2.1 古建筑体型上的抗震特点

建筑物平立面布置需要满足“规则、对称、刚度与质量变化均匀”的特点才能够很好地实现抗震效果。刚度和质量变化均衡有两方面涵义，第一是指在结构平面的方向上，传统建筑的质量中心和结构刚度中心相对一致，扭转效应基本不会使离刚度中心较远的构件产生严重震害，另外，结构立面上，沿结构的高度方向，刚度与结构质量不会发生悬殊变化，不会产生薄弱层，所以就不会造成集中的变形，也就不会加速结构倒塌。我国的古建筑在平面布局上具有相对简明、清晰的组织规律，从整体上看，重要的建筑一般都实施均衡对称式，将庭院作为单元，沿横轴线与纵轴线涉及，借助建筑群体之间的有机组合与烘托，不仅能够使主体建筑看起来更为壮丽宏伟，也能够有效地减轻地震扭转效应。这是因为建筑物形状的规则性使得地震发生时，建筑物各部分震动相对协调一致，不至于出现应力集中的现象，减弱了地震对建筑物造成的影响。

2.2 古建筑在选材和节点构造上的抗震特点

木结构构架的整体刚性比较好，虽然木材容易在外力作用发生变形，但由于其本身较强的柔性特点，所以仍然具备了一定的恢复变形能力，这个特点对抗震来说十分重要。将木榫作为柔性建筑的结点而成组的斗栱，其横纵构件相连，恰好形成弹性节点，当地震发生时，斗栱恰似大弹簧，剧烈颠簸的过程中可以抵消掉很大部分地震的能量，从而减轻建筑物受损程度。榫卯构造技术是我国传统木建筑普遍采用的技术手段，体现了我国建筑“以柔克刚，顺应自然”的思想哲理。这种方式充分利用了木材本身的柔性与弹性，如同动物骨骼与关节一样可以进行一定的扭转与伸缩，从而增强了建筑物的抗震性能。

此外，古建筑采用地栿和额枋将柱网连成整体，也能很好地加固建筑物的整体刚度。发生地震时，柱脚下插在柱础内的管脚榫能够有效地固定柱身，防止柱脚滑动，抵制挤压与摩擦带来的冲击，减轻地震能量。很多明清建筑的基础工程往往更出色。一般采用在仿佛基坑下打入木桩，再用碎石进行嵌档，并加以灌浆砸实，最后夯筑一些小夯灰土，并垒砌柱础石，砖砌拦土墙，砖石包砌台帮。次来的地基下部都是柔性结构，而上部则是刚性结构，就像是弹簧支座上放了刚性物体，能够极大缓冲地震带来的能量，有效抗震。还有一部分做法，诸如在檐柱上加入侧脚与生起，使建筑物整体性和重心更为稳定，同时强化了垂直构件与水平构件的结合。这种做法使我国古建筑经历了多次地震的考验与冲击，建筑整体依然能够保持良好形态，显示了我国的古代人民在建筑物抗震方面的卓越才智。

2.3 古建筑在抗震上的多层结构特点

多层木造结构往往在层与层的过渡上采用缠柱造与叉柱造两种方式，叉柱造指的是将上层的檐柱底部设置一个狮子开口，从而插入平坐柱的斗栱内，平坐柱进一步叉立于下檐柱的斗栱上，向内退进，长度为半柱径。比如河北正定的龙兴寺，宋代的转轮藏殿和蓟县的独乐寺与辽代的观音阁，这种构造相对简单，省事，且不用另增构建。其缺点主要在柱脚开口上，一般会影响柱体的强度，使里面因为收进比较少，造成外观上不够稳定。缠柱造见于《法式》，指的是在通过在柱端增加斜梁的方式，将上层柱立在梁上，这种方式无论在外观还是结构上都相对妥善，结构的稳定性也比较好，但是需要增加一个梁，脚步的每面还要在增加一组斗栱和附斛。此外，古人还会在结构层之中，加入一定的平坐层，使得每层的结构稳定性与整体性得到强化，从而更好地抵抗地震的冲击。

3.结语

大量震害情况说明了我国传统的木结构式建筑虽然会在地震中产生大幅度摇晃，但往往整体架构并不会遭到破坏，存在摇而不倒，晃而不散的特点，地震结束后，能够很快恢复原状，即使出现墙体塌陷情况也不会影响结构安全。虽然古人对木结构建筑物并未留下更多技术资料，但通过宋代的“营造法式”与清代的“营造则例”以及其他相关的文字材料与实际案例中，我们依然可以窥见古人在抗震方面的卓越智慧。这种高度有机结构体系所体现的抗震观念是更多的偏重于“摩擦耗能，以柔克刚，滑移防震”，这种观念和现代结构所采用的“加强结构抗震”原则十分不同，对于现代建筑物的抗震研究具有十分鲜明的启示意义。

参考文献

[1] 周乾，闫维明，纪金豹.古建筑木结构抗震构造评估研究[J].工程抗震与加固改造，2011，33（4）：120-129

[2] 周蓉.中国古建筑木结构构架力学性能与抗震研究[D].长安：长安大学结构工程系，2010