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破解古建筑的抗震“密码”
2020-08-03 10:07:32来源:中国建设报    作者:李睿明

中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分活跃。在地震带影响下,我国地震活动不仅频度高、强度大,而且范围广泛。

正是在这片地震频发的土地上,有些保留至今的古建筑却似乎拥有独特的抗震“密码”。它们屹立在千百年岁月中,见证和记录着历史,不仅让今天的人们可以一睹古代建筑艺术瑰宝,也为现代建筑抗震技术的发展和完善提供参考和借鉴。

以柔克刚

与西方石制建筑相比,中国传统木结构建筑是“柔软”的——木材易获取,构建过程相对便捷,但可能面临着腐烂、虫蛀、断裂等风险。然而,看似脆弱的木结构建筑却成为了中国传统建筑的主流形式,在长久的实践与灾害面前更是留下了“墙倒屋不塌”的谚语。倘若将西方古典建筑誉为石头的史书,那中国传统建筑就堪称木头的史诗。

应县木塔就是“史诗”中浓墨重彩的一笔。该木塔也被称为“释迦塔”,建于公元1056年,位于大同盆地地震带中。据考证,在建成后近千年的岁月里,木塔屡遭强震袭击,如在《应县志》中记载:“元大德九年四月己酉,大同路地震,有声如雷,坏庐舍五千八百”;“元顺帝时,地大震七日,塔旁舍宇,尽皆倾颓,惟塔屹然不动。”近代以来,邢台、唐山、大同等地又接连发生过数次地震,木塔塔身一度大幅度摆动,最长持续时间达一分钟以上。地震过后,木塔总是安然无恙。

地震发生时会产生纵波与横波。纵波如同海面波浪起伏,能量上下传递;横波如同水中涟漪散开,能量水平传递。应对地震纵波,木结构建筑总能“以柔克刚”,其特点在于:与墙体和石拱承重的西方建筑不同,中国传统木结构建筑以木构架来承受立面及屋顶的荷载,因此,常见的砖石立面大多并不直接承重,只起到围蔽、分隔和稳定立柱作用。作为木结构建筑的代表,应县木塔近70米高的塔身均由一层层木结构楼阁式建筑组成。木构件的柔韧性强,在地震来临时,受到外力影响,就会产生形变,也在一定程度上具有恢复形变的能力。如靠近震中的地区,主要受纵波影响,地震强度较小,那么在反复小幅度“形变、复位”的过程中,一部分地震波作用于建筑上的能量就被抵消了。

当地震强度提高时,塔内密布的“斗拱”就要开始介入抗震了。斗拱是中国传统建筑特有的一种结构——在立柱顶、额枋和檐檩等构架间,从枋上探出的一层层弓形承重结构为拱,拱与拱之间垫的方形木块为斗,合称斗拱。斗拱位于柱与梁之间,由屋顶和上层构架传导下来的荷载,要通过斗拱传递给柱,再由柱传递到建筑的地基。因此,斗拱起着承上启下的作用。木塔通体结构不用一钉一铆,完全由大量斗拱和柱梁镶嵌、穿插、吻合连接而成。据记载,塔身共使用54种、240组不同形式的斗拱连接立柱与横梁。这些斗拱交错叠加,形成了“上大下小”的“支架”,每一层斗拱都可以有效传递负荷,同时,这种不用钉铆连接的榫卯结构在接合处留有缝隙,遇到强震时,缝隙会预留构件形变的空间,让构件松动,但不会散架或折断,从而进一步消耗地震产生的能量。

从高层到低层,斗拱结构逐渐复杂,传递负荷的能力逐层加强。地震过程中,受纵波影响,木塔开始上下晃动。在斗拱和其他木构件自身形变作用下,巨大的木塔如同在一次次看不见的“波浪”上“弹跳”起来,有效避免了巨大的垂直能量瞬间贯穿塔身。

刚柔并济

相比起纵波,横波会导致建筑水平晃动。当建筑的自震周期与地震波的周期一样时便引发了共振,此时地震对建筑的危害将达到最大。为了应对横波冲击,除了斗拱,木塔内外还遍布着各种横向的交错木柱,这种木柱呈现出“筒”状,被称为槽柱网,将木塔中央的墙体“套”在里面。

木塔内外共有两层槽柱网,与斗拱、梁枋等构件组成结构层中的“减震弹簧”,不仅有效承重、强化塔体,还能在地震中通过横向摩擦与错位,消除地震横波带来的能量——无论塔体向哪个方向移动,槽柱网都会把它向反方向“拉”,这也是在连续横波袭来时木塔可以持续晃动但不会向某一方向完全倾斜的原因。

对抗横波,仅仅依靠木构件形变的“柔性”还远远不够。于是,每层都配备了厚实的墙体,它们牢牢“抱”住木构件,发挥了“剪力墙”的作用,也增强了每层构架的整体性,同时充分体现了木塔的“刚性”。每遇到大地震,就是木塔抗震“刚柔相济”的时刻。当地震纵波与横波所带来的能量被有效抵消后,地震对塔体的损害也就大大降低了。

固本浚源

对于高耸的建筑物,地基如同站立在地上的“脚”。地基稳固,建筑主体才能长久屹立。作为一项古代“超级工程”,应县木塔拥有以石料砌成的巨大塔基,在塔基之上,还构筑了更加复杂的台基。

台基又被称为“须弥座”,得名于佛教中的“须弥山”,是建筑下方用砖石砌成的平台,作为建筑的底座。应县木塔塔底台基为双层砖石结构,第一层为矩形大台基,第二层为贴合木塔整体外形的正八边形小台基。两层台基重叠,将几千吨重的木塔从地面上“抬”了起来。

当地震来临时,台基就成为了一个“浮筏”,将斗拱、槽柱网、立柱和墙体传导下来的能量疏导至地面,载着建筑“漂浮”在地震波形成的“惊涛骇浪”中。同时依靠深埋于地下的地基支撑,让木塔虽处地震带,却能在一次次地震中化险为夷。

“求木之长者,必固其根本;欲流之远者,必浚其泉源”。从应县木塔的种种抗震措施中,我们可以看到如今许多防震技术的影子——框架结构之于榫卯,混凝土剪力墙中钢筋之于槽柱网,现代高层建筑普遍应用的“内外筒体加水平桁架”之于槽柱、斗拱和梁枋组成的塔体“套筒”……自然灾害可以促使建筑技术革新,人类文明总是在一次次技术的突破中前进。

为何中国古人偏爱木结构建筑?究其原因,或许我们可以在明代造园学家计成的著作《园冶》中得到启示。《园冶》中记述了这样的观点:人和物的寿命是不相称的,物可以传至千年,人生却不过百岁。我们所创造的环境应该和预计自己可使用的年限相适应便足够了。其本质正是在于,让建筑服务于人。于是,在没有现代建造技术的古代,当西方建筑史以神庙、教堂为中心,打造石头建筑以期望实现“不朽”时,大批符合社会生产力水平的木结构“临时”建筑在中国的土地上拔地而起,壮大城市、便利人民,直到把这种建筑艺术推向辉煌。

所谓古建筑的抗震“密码”,并不在于斗拱、榫卯的“以柔克刚”,也不在于槽柱网与墙体配合下的“刚柔并济”,而是我们的祖先在构建它们时多了一分对使用者的担忧,也多了一分对自然的敬畏。

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