故宫太和殿燕尾榫的抗震性研究

文 刘军平 仵 晨 石小禾

我国地处环太平洋与欧亚大陆这两大地震带之间，是一个地震活动频发的国家。虽然历史上经历了无数次大大小小的地震，但是我国众多木结构古建筑安然无恙、保存完好，常常出现“墙倒屋不塌”或“整体结构无恙”。如辽代的应县木塔、天津蓟州区独乐寺等建筑经历了二十余次地震，仍然屹立不倒。最令人惊叹的是北京故宫中的太和殿，经历222次大小地震，却始终巍然耸立。事实证明，这是古人将抗震思想应用于建筑的结果，反映出古建筑木结构某些关键技术具有卓越的抗震性能。

一、燕尾榫之起源

相传鲁班接到了国君的指令，要建设一所与众不同、别具一格的凉亭，他在毫无设计方案的情况下，看到妻子做好的鱼，将筷子前端扎进鱼嘴，末端拖住鱼尾，以固定鱼的形态。鲁班受到启发，将风水凉亭的梁柱设计成两条鱼四目相对，柱子和梁通过鱼口连接，左右两侧柱子的两条小鱼，鱼鱼相望、连连有鱼，与《庄子·大宗师》中讲述的“河流干枯，两鱼通过嘴对嘴呼吸传递湿气而维持存活”有异曲同工之处。庄子的两条鱼是为了爱情至死不渝，而鲁班的两条鱼是为古建筑坚韧不拔、阴阳互补。垂直方向的形式有了，但水平方向的连接却是鲁班面对的更大挑战难题。此时鲁班发现一只腹部受伤的小燕子，尾巴呈八字形卡在了两绳之间，便以此为原型，用燕子尾巴相错落的方式去连结两条鱼头部，让垂直方向的鱼与水平方向的燕尾相互咬合，发挥出强大的耐受力和抗衡力，而这一木结构方式被尊称为“燕尾结构”。所以说，燕尾榫是鲁班所创造的。

“燕尾结构”的制作方法大致如此：首先确定燕尾的长度，并划线标注，再确定尾榫的位置，将尾榫中间不需要的地方进行凿除，然后将榫头的轮廓线复制到面板上，依据榫头的深度凿出面板中不需要的部分，最后将燕尾和榫头打磨修整，对齐安装。就这样燕尾榫制作完成，之后被广泛应用在建筑领域。例如，汉平阳府君阙、天坛祈年殿和故宫群等建筑都广泛使用了燕尾榫。在故宫古建筑群中使用最多最广的榫卯结构就是鱼和燕尾相互咬合的燕尾榫，常常使用于梁柱之间来作为主要力量架构房子的承重。例如，太和殿前檐柱与额枋连接处的榫卯节点就是典型的燕尾榫结构。“太和殿的主要构造特点之一即梁与柱之间采用榫卯节点形式连接，各构件之间的节点以榫卯相吻合，构成富有弹性的框架。榫卯连接使中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形抵消一定的地震能量，减小结构的地震响应。”①这种榫卯节点有一大特点，额枋的榫头为燕尾形，前檐柱顶的卯口为同大小、同形态的凹口形。这样额枋由上而下插入前檐柱顶后，榫头截面是前宽后窄，就不易从卯口的凹口形中拔出，造成脱榫现象，因此便形成了稳定牢固的连接。

图1 太和殿燕尾榫彩色画 （2020年11月11日拍摄于故宫）

二、太和殿榫卯结构的基本构造

榫卯是应用道家阴阳原理在两个构件上采用凹凸结合的连接方式。凸出部分是阳也叫榫，凹进部分是阴称作卯，榫和卯咬合如同阴阳互补，这种连接如同大千世界的阴阳原理。榫卯原理在新石器文化的河姆渡遗址的木结构中已经有发现，显示了我国易学思想早就渗透在建筑领域。太和殿木结构最主要是榫卯原理，它结构精确、扣合严密，从大的柱体到小的椽沿接口都体现了卯榫结构原理。“木构件之间普遍采用榫卯连接是中国古代木构建筑的一个显著特点。‘榫’是在木构件端部制作的可以插入卯内的部分，‘卯’是在另外一个构件上挖出的与榫相契合的开口，榫插入卯口内，两个构件就紧密结合在一起，这种结合称为榫卯，从而诱发出‘阴阳互补，虚实相生’的哲理意蕴。”②经过笔者调研，太和殿木结构不需要一钉一铁，通过各种不同的契合手法，便可以使众多构件连接为牢固可靠的整体，从而建构起了这座文明世界的建筑。

榫卯结构按构合作用归类为三大类型：面与面的“燕尾榫”“槽口榫”“企口榫”等；点与点的“格肩榫”“双榫”“双夹榫”等；线与线的“托角榫”“长短榫”等。其中，“燕尾榫”被证实是最牢固连接形式之一，称为“万榫之母”。燕尾榫又称作大头榫、银锭榫，是由左右两块平板直角相接而构成的组件，榫头为梯台形，形似燕子展翅飞翔的尾羽。燕尾榫不但外观优美而且连接牢固，它的根部短窄、端部宽厚，在地震晃动时，越受力榫与卯咬合越紧，以此来提高古建筑木结构在地面的稳定程度，充分体现了我国传统古建筑的工艺水平，因此燕尾榫还被尊称为“异形结构之母”。

榫卯结构的连接有三种特性：一是刚性连接，二是半刚性连接，三是铰接连接，三者的主要区分就在于其转动刚度。燕尾榫榫头与卯口的连接属于典型的半刚性连接。“所谓 ‘半刚接’，即节点不能像铰球一样随意转动（铰接），也不像固定的刚架一样完全无法转动（刚接），而是介于铰球和刚架之间的一种连接方式，其特征为可以转动，但受到一定限制。”③燕尾榫的“半刚接”的连接特征直接可以对接古建筑抗震，它既可以转动也可以承受上下弯曲所受的压力。半刚性连接的燕尾榫可以降低梁与柱构架之间的震荡幅度，也可以从一个梁上传递到另外一个柱子上。巨大地震能量相当于上千颗原子弹爆炸，但我们的古建筑木结构成功抵抗住了地震所释放出来的能量，因为它所产生的地震能量会转换与分散多种不同的能量。这些能量会传送到古建筑榫卯木结构上：一部分能量会转化为木结构的形变，另外一部分能量转化为木结构的内能。由于木质材料的柔性还可以整体延缓木结构的弯曲，例如木结构发生无规则运动，各个方向的位置偏移。地震传递到房屋木结构的剩余能量会转化为本身震荡的动能，即榫头与卯口会产生相对运动。也就是说，榫头和卯孔之间是通过相对摩擦滑移运动来耗散部分地震能量，起到耗能防震减灾的作用，从而减小地震对古建筑整体的破坏。

图2 三大类榫卯结构

三、太和殿燕尾榫的抗震原理

太和殿燕尾榫的特色是将前檐柱与额枋的连接做成了燕尾状，并将其从上而下进行安装。“从平面形状看燕尾榫头非矩形，其特点是根部（榫头后尾）窄而端部（榫头前部）宽，此做法在古建领域被称为‘乍’；从立面形状来看，燕尾榫头亦非矩形，其下部窄、上部宽，这种做法在古建领域被称为‘溜’。”①燕尾榫中的“乍”结构，榫头一旦插进卯口后，就不会轻易从卯口的水平方向拔出。其主要原因为榫头在卯口水平方向往外拔出的过程中，越往外拔榫头竖截面受力面积越大，接触面积增大摩擦力增大，所需要的水平外力也逐渐增大，而榫头和卯口之间就被挤得更加紧密，因此，燕尾榫结构是不容易产生水平方向脱榫的。同理，燕尾榫中的“溜”结构在从上往下的安装过程中，越往下端燕尾榫的榫头和卯口间的水平截面、受力面、接触面都随之增大。两者接触过程中产生的摩擦力增大，竖向外力也逐渐增大，由此得知榫头与卯口在竖向连接牢固，依然不会轻易发生垂直方向脱榫。“乍”和“溜”这两种燕尾榫结构，都从根本上有效、有力地保障了榫头与卯口之间的可靠连接，使古建筑具有极强的稳定性。

图 3 太和殿燕尾榫结构（2020年11月11日拍摄于故宫）

注释：

①王建省、康怡扬、白雪悦:《殿堂木结构与仿木结构对比研究》，《建筑结构》2016年第S1期，第391页。

②陈明达：《营造法式大木作终究》，北京：文物出版社，1981。

③周乾：《紫禁城古建筑的传统防震方法》，《工业建筑》2019年第6期，第213页。

燕尾榫的抗震原理主要得益于它的安装方法，其主要安装方式是由上而下逐一进行的。按照图2中的榫卯结构，故宫太和殿的安装工序大概如此：第一步是前檐柱的安装，第二步进行额枋的安装，第三步使用砖瓦来砌墙。在竖向安装时，梁枋端部做成燕尾榫榫头的形式，这样做的目的不光有利于燕尾榫的榫头与卯口在垂直方向的挤压，还有利于柱子的定位，既保证了安装后的榫头不会轻易从卯口拔出，也保证了前檐柱不会扭转偏移。一旦安装方式发生改变，效果就不尽如人意。例如，先在水平方向上安装额枋，则需要前檐柱不断偏移错位来腾出燕尾榫的榫头安装空间，这样前檐柱的安装位置就会发生改变，燕尾榫的稳定结构大幅度下降。此外，如果榫头水平方向插入卯口中，卯口的初始截面尺寸和榫卯节点的连接功能都遭到破坏，这样影响其平稳性。综上原理得出，最适应燕尾榫的安装方式是上下方向安装榫头，这样做的好处不仅有利于燕尾榫本身的稳固，而且对古建筑木结构整体的损坏也减小到最小。

通过故宫太和殿燕尾榫的大量研究发现，燕尾榫是当今世界公认最牢固的一种榫卯结构连接节点之一。该榫卯以其稳定性与抗震性的结构原理在古建筑木结构连接中大放光彩，也凭借它高强度的木质结构具有超强的抗拉扯、抗形变能力。燕尾榫在发生剧烈地震时，不但能承载较大的地震能量，而且允许其木结构产生一定的形变，通过形变减小的地震响应来抵消地震所产生的能量。燕尾榫不但具有通过相互挤压来耗散地震能量而达到建筑力学的稳定结构，而且具有艺术形式美中横线与竖线构成的美学价值，这样保证故宫太和殿经历多次大地震而完好无损的原始性和完整性。

注释：

①李珍梅、周乾：《故宫古建筑梁柱榫卯连接的智慧技术》，《建筑技术》2020年第2期，第252页。