中国木构古建筑结构特性分析

陶瑞峰 白佳怡

东北电力大学

1 中国木构古建筑的材料选择

1.1 选用木材的原因

首先，从文化角度来看，“木”在中国古代代表着春天、东方，寓意万物复苏、春意盎然，象征着生命的力量。在古人思想中，应居住在有生命的环境中与之“共生”，故自古以来人们就居住在土质的台基与木质的建筑空间之中。其次，从建筑设计理念角度来看，老子将“室”建筑和“车”、“器”并列，并强调“当其无，有某之用”，认为建筑是以人居住为主要目，更注重空间功能布置的合理性与阴阳五行的调和，土木作为中性的材质，是最适宜人类居住的，从现代研究角度来看，木材可以给人置身于自然之中的感受，木材所具有的温暖、柔和的感觉会使人身心更加平静。再次，从选材观念角度来看，中国文化始终强调节俭，任何的华堂美厦、奢侈浪费的行为都是不被提倡的，所以木材所具有的易于加工、运输、施工与成本较低的特质，使得它成为了中国建筑选材的历史必然。

1.2 木材的特性

在木材的分类上，木材选用自乔木中的针叶树与阔叶树，针叶树由于其树干直、树木高大、纹理平顺、木质较软、不易变形、强度高、耐腐蚀性强的特性，被广泛运用于承重构件中，常见的有杉木、松木等。阔叶树由于树木较矮、木质密度高、加工困难等特性，更适用于室内装修装饰，常见的有榆木、柞木、核桃木等。木材的弹性和各向异性是其主要的物理特性，其顺纹抗拉抗压能力较强，但横纹则较弱，在古建遗址中，柱构件的承载能力几乎不会出现大问题，但梁式构件则会出现问题，由于木材的具有良好的弹性，将其修复的概率较高。木材易于糟朽和易毁于火，早期柱根埋于地表土层以下，由于长期不通风和其纤维毛细管作用下，柱根部分极易糟朽，故后来将建造技艺进行改良，将柱根置于础石之上,且础石顶面高于室内地坪，即使这样也未完全解决柱根糟朽的问题。木材易毁于火，也是其不可避免的特性，而古建中正脊两端的鸦吻也代表了古人对消除房屋火灾的美好愿景。

2 中国木构古建筑的构造

2.1 木构架的基本形式

中国传统建筑以木构架作为其主要的结构形式，采用均衡对称的原则，主要分为抬梁式、穿斗式、干阑式三种结构体系。横梁、立柱、顺凛等作为主要构件，承重构件与围护构件功能区分明确。斗拱与榫卯结构预留了伸缩范围，平立面布置有着对称、规则、质量与刚度变化均匀等建造原则，形状规则的建筑形制使得在地震时各部分具有一致性，刚度与质量中心相一致，建筑物结构刚度没有突然削弱的薄弱层，扭转效应不会造成其变形集中，使得墙倒屋不塌。庭院整体布局也沿用了对称的形式，沿轴线对称布置，这种方式亦可突出主体建筑。

（1）抬梁式。抬梁式于西周末年形成雏形，此构架形式沿进深方向在石础上立柱，在柱上架梁，用横向的仿将柱的上端相连，最上层梁上立脊瓜柱，在相邻两道屋架之间，于各层梁的外端架擦，在两层擦之间架椽，承受屋面的重量，形成屋面呈下凹弧面的两坡屋顶骨架。又将横向的各福排架相连，增强了整个房屋构架的刚度与稳定性，同时将两个屋架间的室内空间称为“间”，一座建筑通常由二、三间至若干间组成。

（2）穿斗式。穿斗式也是沿进深方向立柱，但是柱设立的较密，尽量以竖向的木柱来取代横向的木梁，采用檩柱支撑体系，分为疏檩和密檩两种形式，其中疏檩檩距较疏，檩子直接置于落地柱上，全部靠檩柱支撑，穿仿只起拉结联系作用，不受弯。密檩檩距较密，间距大约只有厘米宽，一部分柱子落地，一部分不落地，不落地的部分插在下层的穿仿上，是不完全的檩柱支撑，由部分的穿仿承载瓜柱的荷载，穿仿起到拉结和受弯的双重作用，跨度小故受力不高。穿斗式可以提高构架的稳定性，增强了抗地震抗风暴的能力，但是较小的柱间跨度不能适应大型殿宇的空间需求。

（3）井干式。井干式结构产生于商朝之前，采用原木或裁切后的横断面木料，层层向上垒叠，转角处木料端部交叉咬合，形成房屋的四壁，在左右两侧壁上立矮柱与承脊檩构成房屋的维护壁体，这种结构可以直接建在地面上，或像穿斗式一样建于干阑式木架上。

2.2 地基与基础

原始社会的仰韵文化时期就开始以扁卵石来扩大立柱基础，将木立柱在途中浅埋，单个的立柱依靠上部与梁等构件连接成空间结构的稳定性。在夏商西周时期，立柱经历了由深埋到浅埋。唐宋以后，基础浅埋露明，与立柱底部水平隔开，此法已被编入营造法式。清朝的《工程做法则例》中以檩的数量来规定埋头深，以荷载条件来确定础石埋深、台基高度与穷土厚度。组成台基石作的主要构件为“柱顶石、阶条石、角柱石、须弥座、踏垛石”，台基可以分成普通台基、须弥座台基、带勾栏台基和复合型台基，仅在大式建筑上使用须弥座台基。根据不同部位的台基安装不同的石材构件，一般在台基中间安装踏垛石，石材或砖包砌在台基四角处，安置断面为方形的埋头石角柱石，沿台边安置长条形的阶条石、压面石、牙栏石和阶沿石，在柱脚下端安置柱顶石、柱础或者碟石，以承托柱子传递的全部荷载并保护柱子。

2.3 榫卯

我国古代木构建筑具有独特的连接方式——榫卯，具有良好的降低侧向推力的作用，在构件上挖出的洞眼被称为“卯”，木构件上裁出的用来插入“卯”的部分被称之为“榫”。榫卯分为直榫和燕尾榫，直榫的端部为矩形，明清时期在下面布置了雀替或替木，增强连接性能与美感。燕尾榫又被称为大头榫、银徒榫，常见于柱顶，榫头根部比端部窄，上部比下部大，防脱榫功能强，但是根部断面小抗剪能力较弱，带袖肩的出现可以增大榫头根部断面大小，提高连接功能。

2.4 斗拱

斗拱由商代的擎檐柱演化而来，殷商时代出现栌斗，唐至元代，立柱顶部斗拱所承托的梁多插入斗拱之中，与梁架组成整体，结构与正侧两面的梁组合成井字格的结构，斗拱成为交叉处的加强节点，提升了稳定性。明清时期柱头开始采用大、小额仿和随梁枋，斗拱的尺寸不断缩小，间距加密，小巧而精美。其作用是竖向传递荷载，在一定的荷载作用下斗拱会产生塑性，具有减震耗能的作用，比榫卯结构减震耗能力更强。

2.5 侧脚与生起

侧脚是外檐柱在安装时，柱脚向外侧偏移柱顶向内侧偏移的适度倾斜的做法，前后外檐柱向内倾斜柱高的千分之一，两山山柱向内倾斜千分之八，角柱向两个方向都有倾斜，这样的做法可以增强建筑的稳定性。生起是柱子由明间两侧逐渐升高的做法，中心的两个柱子不生起，次间柱升高二寸，其余柱子由内而外依次递增，可以使建筑檐口和屋脊形成上翘的曲线，提升美观性。但是在明清时期开始，侧脚与生起一般不再使用。

3 木构古建筑的结构作用分析

木构古建筑的整体结构作用一直是令人感兴趣的问题，其构架类似于现代建筑中的排架、框架和刚架。地震运动会产生多种震波，首先是竖向垂直振动波，它先将建筑物水平断开，水平波出现后造成更大范围更大破坏力的伤害，再者就是旋转地震波，产生扭力，对于进深小、间数多、平面布置不规律的房屋显示出较强的破坏力。

建筑布局的长宽比揭示了构架是如何抵抗横向地震力的，木构古建筑的长宽比多为1：1.5，均在1：1.9左右，良好的长宽比加上规律的平面布局，本身就是抵御地震的良好条件。外形越接近规律的长方形，横向内部刚度就越大，越不容易发生平面扭曲，作用力平均分配给每一个柱子，铺作层和屋盖几乎无法承担抵抗力，将绝大多数的力分配给山面柱和柱间墙，所以山面柱和柱间墙存在的意义类似于现代的剪力墙。木材即使在短暂外力作用下产生变形,由于其物理弹性使得在外力消失后又会恢复原本的形态，进一步增加了建筑的抗震能力。

垂直波可以轻松地使抬梁式构架的各个水平层脱开，却又能快速合拢，几乎无法对建筑造成伤害。穿斗式梁柱长短穿插，袱端作桦入柱，编织交叉，可以抵抗垂直波。建筑的柱脚不被固定，依靠摩擦力保持建筑的稳定，辅以“生起”、“收分”、“侧脚”增强稳定性，圈梁也可以增强整体性。

各平面交接处，例如阁楼暗层的斜柱、檐柱头周和内柱的阑额、柱头卯桦处产生的转角弯矩等作为加固措施保证建筑的整体性。木构古建筑设计兼顾了力学与构造的合理性，大到构件的布置，小到节点的设置，无不精心雕琢。

4 结语

中国木构建筑经过了几千年的演变，结构愈加合理，抵御灾难的技术越来越趋于成熟，更由简单的功能需求演化成了功能与艺术的集合体。在惊叹古人精湛的建筑技艺的同时，我们更应该学习他们的大国工匠精神，数代人传承与发扬，千年磨一剑，永不停歇。