如此強大的建築抗震設計,也只有在古代有!
有人說,西方建築史是「石頭的歷史」,中國建築史是「木頭的歷史」,西方磚石結構是剛性結構建築體系,中國土木結構是柔性結構建築體系,西方人以剛性的磚石結構抵抗自然災害,中國人以柔性的土木結構防禦了地震的破壞,前者是「以剛克剛」,後者是「以柔克剛」。
作為建築材料,木材與泥土具有富於韌性、加工靈活、組合方便的優點。在防震方面,主要依靠木結構。
木材是一種質輕、力學性能好的建築材料,它具有一定的柔性,在外力的作用下比較容易變形,但在一定程度內又有恢復變形的能力。
木構架中的所有節點又普遍使用榫卯結合,也具有一定的變形能力,再加上傳統木構架都是採用均衡對稱的柱網平面和梁架布置,使其形成一個具有一定柔性的整體框架結構體系,當地震襲來時,建築便通過自身的變形消化地震力對結構的破壞能量,從而在一定限度內保障了建築的安全性。
中國的傳統木結構,具有框架結構的種種優越性,如「牆倒屋不塌」的功效,但其柔性的連接,又使得它具有相當的彈性和一定程度的自我恢復能力。
1976年唐山大地震,薊縣城內房屋倒塌不少,觀音閣及山門的木柱略有搖擺,觀音像胸部的鐵條被拉斷,但整個大木構架安然無恙。
獨樂寺觀音閣之所以在多次強震中屹立不倒,主要是斗拱起了作用。觀音閣的斗拱設計十分巧妙,在沒有一顆釘子固定的情況下,通過七層木塊的相互交織,達到了相互連接固定的作用。這樣在地震出現時能及時減緩外部的壓力,具有很強的抗震性能。
下面我們來看看古代建築典型的抗震設計。
絕招一:古建築的台基堪稱整體浮筏式基礎
中國古代建築一般由台基、梁架、屋頂構成,高等級的建築在屋頂和樑柱之間還有一個斗栱層。
中國古代建築的台基用現代結構語言描述,堪稱「整體浮筏式基礎」,好比是一艘大船載著建築漂浮在地震形成的「驚濤駭浪」中,能夠有效地避免建築的基礎被剪切破壞,減少地震波對上部建築的衝擊。
中國傳統建築的梁架一般採用抬梁式構造,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。
優雅的大屋頂是中國古代傳統建築最突出的形象特徵之一,而且對提高建築的抗震能力也做出過相當的貢獻。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂等)需要複雜結構和大量構件,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,也提高了構架的穩定性。
絕招二:斗拱是古建築抗震中的又一位重要「戰士」
斗拱是由若干斗形的木塊和弓形的短枋木相互交接組合而成的構件,用在柱頭頂或額枋之上,起著承托梁架和出挑屋檐的作用。
當地震發生時,屋頂與柱之間的若干組內外檐斗拱像彈簧層一樣起著變形消能的作用,從而大大減少了建築物的破壞程度。
歷史上,很多帶斗拱的建築都能抵禦強烈地震,比如山西大同的華嚴寺,在沒有斗拱的低等級附屬建築被破壞殆盡的情況下,帶斗拱的主要殿堂仍能倖存,充分說明了斗拱對抗震的貢獻。
斗拱不但能起到「減震器」的作用,而且被各種水平構件連接起來的斗拱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。
絕招三:榫卯是抗擊地震的關鍵
榫卯是極為精巧的發明,我們祖先早在7000年前就開始使用,這種不用釘子的構件連接方式。使得中國傳統的木結構成為超越了當代建築排架、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。
還有如柱子的生起、側腳等技法降低了建築的重心,並使整體結構重心向內傾斜,增強了結構的穩定性。
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。
用現代術語來說,就是形成上、下圈樑,有效地制止了柱頭、柱腳的移動,增強了建築構架的整體性。
梁架系統通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構件強化了聯繫,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。
在外檐柱間設置較厚的牆體,起到現代建築中「剪力牆」的作用諸如此類,舉不勝舉。大到建築群體的布局處理,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。
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