七千年前的榫卯

   轉角結構

    中國園林網6月26日消息：與西方磚石結構建筑的“以剛克剛”不同，中國傳統(tǒng)的木結構建筑在抵抗地震沖擊力時，采用的是“以柔克剛”的思維，通過種種巧妙的措施，其目標是以最小的代價，將強大的自然破壞力消彌至最小程度。我國許多古代建筑都成功地經受過大地震的考驗，如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應縣木塔等建筑，千百年來均經歷過多次地震仍然傲然屹立。當代建筑設計以抵御9度地震為目標，而我國傳統(tǒng)的木結構建筑基本上能達到這個要求，而且其代價遠遠小于西方的“剛”，不能不讓人嘆服“柔”的力量。

　　柔性的框架結構：墻倒屋不塌

    中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機材料作為結構主材，而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、持續(xù)時間最長、技術成熟度最高的結構體系—柔性的框架體系。我國木結構技術的發(fā)展，若僅從浙江余姚河姆渡遺址算起，迄今至少已有近7000年的歷史。作為對比，西方數(shù)千年中一直采用承重墻體系，直到工業(yè)革命以來、近現(xiàn)代科學技術發(fā)展之后，才意識到框架結構的優(yōu)越性，遂開始大規(guī)模地普及，更值得玩味的是，這種框架體系仍然是“以剛克剛”。而中國的傳統(tǒng)木結構，具有框架結構的種種優(yōu)越性，如“墻倒屋不塌”的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴湍芰�。這次汶川大地震中，許多文物建筑的墻體均不同程度地受損，但主體結構仍未倒塌，就是這種柔性框架結構抗震能力的表現(xiàn)。

    整體浮筏式基礎、斗栱、榫卯：抗擊地震的關鍵

    我國古代很少建造平面復雜的建筑，主要采用長寬比小于2:1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結構布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當心間)最大，兩側的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設計非常有利于抵抗地震的扭矩。

    中國古代建筑一般由臺基、梁架、屋頂構成，高等級的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個斗栱層。中國古代建筑的臺基用現(xiàn)代結構語言描述，堪稱“整體浮筏式基礎”，好比是一艘大船載著建筑漂浮在地震形成的“驚濤駭浪”中，能夠有效地避免建筑的基礎被剪切破壞，減少地震波對上部建筑的沖擊。中國傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構造，在構架的垂直方向上，形成下大上小的結構形狀，實踐證明這種構造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國古代傳統(tǒng)建筑最突出的形象特征之一，而且對提高建筑的抗震能力也做出過相當?shù)呢暙I。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)?需要復雜結構和大量構件，大大增加了屋頂乃至整個構架的整體性；龐大的屋頂以其自重壓在柱網上，也提高了構架的穩(wěn)定性。

    斗栱是中國古代建筑抗震的又一位重要戰(zhàn)士，在地震時它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。歷史上，很多帶斗栱的建筑都能抵御強烈地震，比如山西大同的華嚴寺，在沒有斗栱的低等級附屬建筑被破壞殆盡的情況下，帶斗栱的主要殿堂仍能幸存，充分說明了斗栱對抗震的貢獻。斗栱但能起到“減震器”的作用，而且被各種水平構件連接起來的斗栱群能夠形成一個整體性很強的“剛盤”，按照“能者多勞”的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子，大大提高了整個結構的安全性。

    除了這些較顯著的手法外，中國古代傳統(tǒng)建筑中還使用了大量的其他技術措施，這些措施是古建筑抗震的關鍵。比如榫卯的使用：榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前就開始使用，這種不用釘子的構件連接方式，使得中國傳統(tǒng)的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量，減小結構的地震響應。又比如柱子的生起、側腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結構重心向內傾斜，增強了結構的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結構構件連接，使柱架層形成一個閉合的構架系統(tǒng)，用現(xiàn)代術語來說，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動，增強了建筑構架的整體性。梁架系統(tǒng)通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構件強化了聯(lián)系，顯著增強了結構的整體性；柱子與柱礎的結合方式能顯著地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦，進而有效地產生隔震作用；在高大的樓閣中，如獨樂寺觀音閣、應縣木塔等，都在暗層中設有斜撐，大大強化了構架對水平沖擊波反復作用的抵抗能力；在外檐柱間設置較厚的墻體，起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類，舉不勝舉，大到建筑群體的布局處理，小到構件斷面的尺寸設計，處處都展示出古代工匠們在抗震設計方面的知識和匠心。

    應縣木塔：

    中國古代建筑抗震能力的杰出代表

    山西應縣佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)是中國古代傳統(tǒng)建筑杰出抗震能力的集中代表。這座木塔是當今世界現(xiàn)存最高的木結構建筑，竣工于1056年，處于大同盆地地震帶上。木塔建成200多年即遭受大震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔巋然不動；在此后的近千年中，木塔經歷了多次大地震的考驗而安然無恙。在戰(zhàn)亂之際，木塔還承受過200余發(fā)炮彈的轟擊，亦無大損。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述諸多抗震技法的綜合和提高：木塔平面是規(guī)則的正八角形，利于抵抗地震波產生的扭曲力；木塔高達4.4米的磚石基座堅實、穩(wěn)定，形成一個“浮筏”，承載著全塔的重量(約1300噸)；木塔內梁與柱的連接完全通過斗栱完成，各種構件則通過榫卯連接，全塔的主要構件不用一釘一鉚，這種連接形式類似于半固結半活鉸的狀態(tài)，能承受較大的彎矩；構架水平分層，在地震波中的垂直沖擊波攻擊下，可以通過“彈跳”的方式消解巨大的破壞能量；構架的整體性有力地抵抗旋轉波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結成一個筒形的框架，保證了構架的穩(wěn)定性；柱子之間砌筑有厚實的墻體，牢牢地“抱”住各柱子，增加了構架的整體性，而且這些墻體能作為剪力墻發(fā)揮作用；立柱側腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結構重心向內傾斜，增強了塔的穩(wěn)定性，這樣既使塔身形成美麗的曲線，又能把水平的地震沖擊力分解成垂直方向的壓力；周邊有一圈柱廊，各圈柱廊被水平構件連接成一個剛中帶柔的整體；為了加固結構框架，在八邊形木塔的四個斜向應面上，自上而下采用了剪刀撐做法。 

    整座木塔表現(xiàn)出結構、技術與藝術形象的高度和諧，表里如一，這是中國古代木結構建筑，也是我們中華民族的“傳統(tǒng)美德”之一。在近千年前我們的祖先就能建造出如此莊嚴美麗而堅固耐久的建筑，充分顯示出當時的匠人對數(shù)學、力學、材料學、結構學的研究已經相當深入，而且對地震的破壞機理已有了相當?shù)牧私猓�抗震經驗已積累到了很高的水平，既令人驚奇，也令人自豪。