丹巴碉楼抗震减灾构造技术

陈 玉， 赵 婷， 成 斌， 高 明

(1. 西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010; 2. 四川臻弘建筑工程设计咨询有限公司，四川成都 610000)

在横断山脉大渡河和岷江上游的甘孜藏族自治州的丹巴县境内的山坡上坐落着延续了上千年的碉楼，它是藏族和羌族灿烂民族文化的代表，是藏族和羌族历史与人文精神的载体。碉楼是石头砌筑的史书，对于碉楼的深入认识和研究不仅能够让我们感受到先民的文化和智慧，更能让我们科学理性的对待传统文化和建筑遗产。同时，先民的智慧可以引领和指导我们当今的建筑设计，在国际化浪潮中彰显民族和地域特征。

1 丹巴碉楼概述

1.1 丹巴碉楼分布与特点

丹巴作为嘉绒藏族核心聚居地，据传在清朝乾隆年间(1736年)高碉不下3 000余座，由于地质灾害和战争等原因现存碉楼560余座，这些碉楼高度从20～60 m不等，形式多样，有着“千碉之国”的美誉。这些古碉的年代久远(追溯至唐代和清代)、规模宏大、类型多样，建筑技艺高超，有着极高的美学、社会学、历史学、建筑学、民族文化学价值[1-4]。

1.2 丹巴地形地貌与地质灾害

丹巴地处我国大陆第一阶梯向第二阶梯的过渡地带，地形复杂，地势变化大，境内峰峦叠嶂、峡谷幽深，全县最低海拔1 700 m，最高海拔5 820 m，相对高差为4 120 m。平均坡度32 °，是典型的高山峡谷地貌。丹巴县在大地构造位置上隶属于龙门山褶皱带(图1)，该地区地质活动强烈，过去几百年里这一断裂带附近多次发生里氏7级以上大地震。在2008年汶川大地震中，丹巴古碉群中有45座碉楼受损严重，碉身开裂，碉顶垮塌[5-7]。丹巴地区海拔较高，许多碉楼位于山顶，受风荷载影响较大，另外由于丹巴地区干湿分明，降雨集中，滑坡、泥石流常有发生并且危害较大，因此丹巴地区的建筑对抗自然灾害的难度较大。

图1 龙门山褶皱带及周边地区抗震设防烈度

2 丹巴藏羌碉楼的建筑特征

2.1 结构材料特征

丹巴藏羌碉楼大都采用石木混合承重结构，建筑由石材、黄土及木材组成。由于地处龙门山断裂带附近，山上石材资源十分丰富，石材具有很好的抗压性能并且不易风化，这是丹巴碉楼得以留存上千年的原因之一。黄土作为石材间的填充和粘结材料，木材作为内部楼层的承重材料，承托楼面的荷载[8-9]。

2.2 平面特征

丹巴藏羌碉楼平面形式多样，按照其平面形式可分为三角碉、四角碉、五角碉、六角碉、八角碉、十二角碉、十三角碉及圆形碉。三角碉是全部由石头砌成的实心的碉楼，仅作为标志性构筑物，并无实用功能。四角碉、五角碉、八角碉最为常见。十二角碉和十三角碉甚为罕见，如今中国唯一一座十三角碉位于丹巴境内蒲角顶，海拔3 000 m以上，是碉楼中的孤品。四角碉和五角碉内部空间为规则的方形，六角碉和八角碉内部为圆形(图2)。

图2 碉楼标准层平面

2.3 功能特征

丹巴碉楼最原始的功能按照石硕先生的考究应是一种祭祀的建筑物，表达藏羌民族的自然崇拜和宗教信仰的。后来由于当地战事多发，环境比较乱，才演变成用于防御功能[1]。如今现存的碉楼按照功能划分主要有：用于存储粮食的家碉，用于战争瞭望的要隘碉，用于界定每个寨子的地标性建筑物的寨碉，用于纪念人物或事迹的纪念碉，以及象征风水或者祭祀的风水碉等。由此可见，碉楼在当地具有多重功能，在历史上具有举足轻重的地位，这也是碉楼在丹巴地区如此密集的原因。

2.4 等级特征

藏羌碉楼代表的是威严高耸的建筑形象，是权利和财富的象征。在以前，建造一座碉楼要花费大量的人力物力，因此碉楼的所有者必然具有一定的社会地位和财富。碉楼的高度和型制也是财富与地位的象征，高度越高、平面型制越复杂的碉楼对于建筑的施工也有着更为严格的标准，因此代表了主人的身份与地位也更为尊贵。家碉、官碉、寨碉、宗堡碉分别代表了不同的所有者的身份。四角碉的所有者为具有一定经济基础的大户人家；八角碉的一般为官碉，其所有者为当地的土司；十二角碉和十三角碉更为罕见，往往位于山头，作为地界或军事瞭望。

3 丹巴藏羌碉楼抗震减灾设防思想

3.1 平面形态

前文提到丹巴碉楼平面形态多样，在几何学中三角形是最为稳定的结构，那么为何又衍生出角数更多的碉楼呢?原因在于碉楼的角就好似一道道的拉筋，碉楼角的数量越多，在外力的作用下建筑结构的支撑点越多，各点受力方向不一，更能抵抗外力，因而建筑结构越稳定。丹巴现存的角数最多的碉楼是蒲角顶的十三角碉，原来高度约60 m，是丹巴境内较高的碉楼。

3.2 空间形体

藏羌碉楼是下大上小的锥形体，下宽上窄的形体减轻了建筑上部的自重、增强了墙体基础的稳固性。这种形体降低了建筑重心，对于水平荷载抵抗力较好。 因为在同样条件倾覆力F的作用下，锥形体因重心低，倾覆力F作用的力矩小，因此建筑具有更好的抵抗倾覆能力(图3)。

图3 两种形体稳定性分析

3.3 建筑高宽比

为保证碉楼的结构的抗侧刚度，整体稳定，抗倾覆能力，碉楼建筑的高度和平面的宽度也有适当的比例。在总结了多例古碉平面与立面的关系后，我们发现古碉的高度和碉楼平面形态的周长接近1∶1～1∶1.2的关系，建筑的高度越高，平面的基座越大，大大增加了建筑的稳定性。例如边长为6 m四角碉，高度控制在30 m内；边长为2 m的八角碉，建筑高度控制在40 m内。

4 丹巴藏羌碉楼的抗震减灾构造

藏羌碉楼抗震减灾构造见表1。

表1 碉楼抗震减灾做法一览表

4.1 深基础

藏羌碉楼的基础埋设较深，一般为碉楼高度的1/10，埋设深度能达到5 m。同时有巨型石材砌筑的坚固的基座，石材具有很好的抗压性能，足以承受上部的荷载。同时底部的实心砌体能够降低建筑的重心，增强建筑的抗倾覆能力。另外，由于基座较高，碉楼的入口往往在距离地坪3 m左右的洞口，由绳索或屋顶平台出入，易守难攻，具有很好的防御性。

4.2 “过江石”

在碉楼的转角部位采用坚实粗大的石块砌筑，又称为“过江石”。由于建筑转角部位受力最为复杂，是建筑受力的薄弱环节，为了加强碉楼局部的抗震性能，采用“过江石”进行组砌，体形较大的石材整体性能好，在复杂受力的情况下更稳定，其作用不是承担竖向荷载的，而主要是抵抗剪力和地震力等横向荷载。

4.3 组砌形式

不论哪一种平面型制的碉楼，其墙体都进行收分，外部下大上小，内部几乎垂直于地面，下部最宽处能达到2 m，上部最窄处约0.5 m。墙体的厚度和碉楼的高度成比例，一般按照0.03∶1～0.05∶1进行收分，即墙体高度每增高1 m，墙体厚度减少30～50 mm。石材的组砌也是非常有讲究，采用“梅花丁”的砌筑方法，这种砌法内外竖缝每皮上下都能错开，故整体性较好，灰缝整齐、美观。石头间的缝隙填以黄泥和片石，增加摩擦，提高墙体抗压性和整体性，使得墙体坚固牢靠[10-11]。

4.4 墙筋

碉楼的施工是由内部往外进行，碉楼内部四周的墙体每隔1.5 m的高度就要用木板设置一道横筋，形成“腰箍”以承载上部石墙的荷载并加强碉楼的整体性。作为出入碉楼的洞口或者瞭望射击的洞口上部放置巨木，形成过梁，用以承托洞口上部的荷载，将压力分布到两侧(图4)。

图4 碉楼剖面

4.5 壁柱和“乾棱子”

在水平力作用下，墙体中部弯矩最大，因此为了防止墙体中部先于其他部位发生破坏，在墙体的外侧设置鱼脊状“乾棱子”或在墙体内部的中部设置壁柱，增加墙体的整体刚度(图5)。

5 结束语

丹巴古碉经历了时间的洗礼和自然灾害的考验仍然屹立不倒，这是先民的智慧和工匠的巧手留下的财富。提取和吸收碉楼的抗震构造是对碉楼的技术解读，碉楼通过严格控制建筑平面形态与高宽比、深埋基础、转角砌筑“过江石”、墙体内置横筋和壁柱外设“乾棱子”等等技术手段使得碉楼历经数次大地震的考验，留传上千年，这不禁令人赞叹。借鉴和吸收碉楼的抗震技术，希望能对当代的建筑设计以及碉楼的保护和传承提供借鉴和参考。

图5 墙体结构稳定性分析