中国的古建筑是如何抗震的?木结构建筑中的“柔与刚”
天津蓟县独乐寺,古代抗震建筑:天津蓟县独乐寺,山西应县木塔,抗震尤为突出。都乐寺位于天津蓟县盘山脚下。建于唐代,寺内观音阁、山门为辽代重修。重建一千多年来,都乐寺经历了28次地震,其中清康熙十八年(1679)三河、平谷发生了8级以上强震。“蓟县无一官宅幸存,观音阁独一无二。”1976唐山地震时,蓟县多处房屋倒塌,观音阁木柱和山门轻微晃动,观音像胸前的铁条被拉断,但整个木架安然无恙。
独乐寺观音阁之所以在多次强震中屹立不倒,主要是因为斗拱的作用。观音阁的斗拱设计非常巧妙。没有钉子,由七层木块交织而成,相互连接固定,地震发生时能及时缓解外界压力,抗震性能强。
山西应县木塔:“明五暗四”的刚柔结合
应县木塔位于山西省应县西北部的佛公寺。建于辽清宁二年(1056)。应县木塔位于大同盆地的地震带上。建成近千年,经历过多次大地震。据史料记载,200多年前木塔建成时,当地曾发生过6.5级地震。余震持续了7天,木塔附近的房子全部倒塌,除了木塔。上世纪初,军阀混战,木塔被200多发炮弹击中,除了两根柱子外,没有任何损坏。
应县木塔之所以有这么强的抗震能力,在于其独特的木结构设计。木塔除石基外,全部采用松木、榆木制作,框架内所有接缝均采用榫卯结合,具有一定的灵活性;木塔从外面看有五层六檐,但每层都有暗层,五层明层,四层暗层,实际上是九层。明楼通过柱、斗拱、梁的连接形成柔性楼盖,各暗楼内柱与内外角柱之间增加各种斜梁,加强了塔楼的结构刚性。这样的刚性和柔性可以有效抵抗地震和炮弹的破坏力。
有人说西方建筑史是“石头史”,中国建筑史是“木头史”,西方砖石结构是刚性结构建筑体系,中国土木结构是柔性结构建筑体系。西方人用刚性的砖石结构来抵御自然灾害,而中国人用柔性的土木结构来抵御地震破坏。
木材和土壤作为建筑材料,具有韧性好、加工灵活、组合方便等优点。在防震方面,主要依靠木结构。学者程建军认为,木材是一种重量轻、力学性能好的建筑材料。它有弹性,在外力作用下容易变形,但在一定程度上有恢复变形的能力。木框架中的所有节点一般都是榫卯结合,也有一定的变形能力。此外,传统的木框架布置在平衡对称的柱网平面和梁框架中,使其形成灵活的整体框架结构体系。当地震发生时,建筑物会通过自身的变形来消化地震力对结构的破坏能量,从而在一定程度上保证建筑物的安全。
中国传统木结构具有框架结构的所有优点,如“墙倒屋不塌”的效果,但其柔性连接使其具有相当的弹性,并具有一定程度的自恢复能力。在这次汶川地震中,很多文物建筑的墙体都有不同程度的损坏,但主体结构并没有倒塌,这就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。
-古建筑如何抗震-绝招一:古建筑的桥台可以称为整体浮垫基础。中国古代很少有平面复杂的建筑,主要采用长宽比小于2: 1的矩形。规则的平面形状和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间最大(心间),二间和两边的梢间宽度依次减小。这种设计非常有利于抵抗地震的扭矩。
我国古代建筑一般由桥台、梁架、屋顶组成,高档建筑在屋顶与梁之间有斗形楼盖。我国古建筑的桥台用现代结构语言来描述,可以称之为“整体浮垫基础”,就像一艘大船在地震形成的“惊涛骇浪”中载着建筑物,可以有效避免建筑物的基础受到剪切破坏,减少地震波对上层建筑的冲击。我国传统建筑的梁架一般采用抬梁式结构。在框架的垂直方向上,形成下大上小的结构形状。实践证明,这种结构具有良好的抗震性能。典雅的大屋顶是我国古代传统建筑最突出的形象特征之一,也为提高建筑的抗震能力做出了相当大的贡献。大屋顶的形成(特别是寺庙的屋顶,山的其余部分等。)需要复杂的结构和大量的构件,大大增加了屋顶乃至整个框架的整体性;巨大的屋顶靠自身重量支撑在柱网上,也提高了框架的稳定性。
招数二:斗拱是古建筑抗震的另一个重要“勇士”。斗拱是我国古建筑抗震的又一重要“勇士”。它像汽车的减震器一样在地震时起到变形和耗能的作用。它是由若干斗状木块和拱形短梁组成的构件,用在柱顶或额上,起支撑梁架和突出屋檐的作用。地震发生时,屋顶与立柱之间的几组内外檐斗拱起到弹簧层一样的变形和消能作用,从而大大降低了建筑物的破坏程度。从历史上看,很多斗拱建筑可以抵御强震。比如山西大同的华严寺,在没有斗拱的低层附属建筑全部被毁的情况下,有斗拱的正殿还能幸存,充分说明了斗拱对抗震的贡献。斗拱可以起到“减震器”的作用,各种水平构件连接的斗拱可以形成一个整体性很强的“刚性板”,按照“能者多劳”的原则将地震力传递给具有抗震能力的柱子,大大提高了整个结构的安全性。
招数三:榫卯是抗震的关键。除了这些显而易见的技术,中国古代传统建筑中还采用了大量的其他技术措施,这些技术措施是古建筑抗震的关键。比如榫卯的使用,就是一个非常巧妙的发明。我们的祖先早在7000年前就开始使用榫卯。这种不用钉子的构件连接方式,使得中国传统木结构成为一种超越当代建筑排架、框架或刚架的特殊柔性结构。既能承受较大的荷载,又允许一定的变形,在地震荷载作用下通过变形吸收一定的地震能量,从而降低结构的地震反应。
还有柱上升、侧脚等技术,降低了建筑的重心,使整个结构的重心向内倾斜,增强了结构的稳定性;柱顶和柱脚分别与横隔板、地被等结构构件连接,使柱框架层形成一个封闭的框架体系,用现代的说法就是形成上下圈梁,有效阻止柱顶和柱脚的移动,增强建筑框架的整体性。梁框架体系通过隔板、翼缘、柱、爬、拉、梁、檩条、椽等多种构件加强连接,显著增强了结构的整体性;柱与柱基础的组合可以显著减小柱底与柱基础顶面之间的摩擦力,进而有效产生隔震效果;在高大的楼阁中,如都乐寺的观音阁、应县木塔等,在暗楼中安装斜撑,大大加强了框架对反复水平冲击波的抵抗能力。在檐柱之间设置厚墙,在现代建筑中起到“剪力墙”的作用,等等,从建筑群的布局到构件截面的尺寸设计,处处显示出古代工匠在抗震设计方面的知识和聪明才智。
中国古代建筑在漫长的发展过程中始终能保持自己的个性是必然的。就建筑材料而言,我国古建筑的木结构在维持建筑使用寿命方面并没有任何优势,木质的梁、门、窗、柱也经不起长时间的风雨。然而,正是这种灵活的木结构创造了中国古代建筑独特的造型和丰富的形式。
这样的例子在国外并不少见。在日本神户和美国洛杉矶的大地震中,木结构只是轻微变形,从未倒塌。即使在强烈的地震力作用下,木结构被向前推了数米或者整体被甩出地基,但依然完好无损,没有分崩离析。这证明了木结构在各种极端载荷条件下的抗震稳定性和完整性。神户大地震后,日本政府明确表示,北美所有民用住宅必须用木结构建造。