1、紫禁城古建筑的防震絕技2008年5月12日，四川汶川地區(qū)發(fā)生了8.0級(jí)特大地震，給人民生命財(cái)產(chǎn)包括文物古跡造成巨大損失。由此引起的包括博物館在內(nèi)的建筑物抗震成為一個(gè)極其重要的話題。北京紫禁城古建筑群歷600年風(fēng)雨滄桑、經(jīng)200余次大小地震考驗(yàn)而完好無損，為我們提供了可資借鑒和學(xué)習(xí)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。幾點(diǎn)體會(huì)和設(shè)想1要不惜重金建設(shè)好能防8級(jí)或8級(jí)以上地震的文物庫房。這種庫房，必須用最好的鋼材和800標(biāo)的水泥灌注而成，絲毫馬虎不得。2要認(rèn)真關(guān)心和做好地震的預(yù)測(cè)工作，這雖然是世界未解決的難題，但我們是唯物主義的可知論者，而不是不可知論者，只要我們不斷認(rèn)真地探索，總會(huì)有所發(fā)現(xiàn)，有所前進(jìn)的。事實(shí)上，對(duì)于遼寧營口

2、和唐山大地震，我國地震專家就有過預(yù)報(bào)，并轉(zhuǎn)告給相關(guān)文物單位，從而減少了地震造成的損失。此外，唐山等地大地震前夕，在地震的中心地帶已經(jīng)發(fā)生了多起異常現(xiàn)象，如水庫或池塘的魚成群游出水面，并表現(xiàn)出惶恐不安；馬匹不肯入圈，暴跳嘶鳴；大小家犬狂吠不止；電磁波突然增多等等。可能這些都是大震前的一些先兆，對(duì)我們了解地震和預(yù)防都有提示作用。對(duì)此種異常表現(xiàn)應(yīng)慎重對(duì)待，探求原由，不可麻痹大意。3我國是地震多發(fā)地區(qū)，我們十分期望國家今后能多撥款項(xiàng)，加強(qiáng)這方面的觀察、預(yù)測(cè)、研究工作，要建立全國的觀察、預(yù)測(cè)地震網(wǎng)，建立一支業(yè)務(wù)過硬、忠于職守的防震隊(duì)伍。國家文物局要組織文物專家、骨干，赴四川、甘肅、陜西等地進(jìn)行實(shí)地考察，

3、為文物系統(tǒng)如何防震、抗震搜集第一手資料，以供今后防震、抗震工作參考。引言中國的古代建筑以木結(jié)構(gòu)為主，具有悠久的建筑文化和歷史。千百年來，它們歷經(jīng)各種地震災(zāi)害而仍然保存完好，如北京的紫禁城、天津的獨(dú)樂寺、山西的應(yīng)縣木塔等。以北京紫禁城木結(jié)構(gòu)建筑群為例，其建成于公元1420年，至今已有將近600年的歷史，其間經(jīng)歷地震222次，含4次8度地震，除部分墻面傾閃及瓦件掉落以外，宮內(nèi)大木結(jié)構(gòu)體系均完好無損。紫禁城古建筑由下往上的構(gòu)成依次為：基礎(chǔ)(臺(tái)基)、柱子、榫卯、斗拱、梁架、屋頂?shù)取８鞑糠志烤褂兄畏N抗震措施，使得古建筑能在地震中“屹立不倒”?本文將對(duì)其作具體分析，為我國古建筑的保護(hù)和修繕提供科學(xué)依據(jù)。

4、布局紫禁城古建筑平面布置主要為對(duì)稱、規(guī)則及均衡的矩形幾何圖形，典型的古建筑平面布局圖。這種布局使結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛度中心重合，可以避免在水平荷載下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的不利內(nèi)力。從立面布局角度看，一方面，沿結(jié)構(gòu)高度方向，結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度從構(gòu)件角度來看沒有懸殊的變化，且沒有突然削弱的薄弱層，在地震中不會(huì)因變形集中而產(chǎn)生破壞；另一方面，立面布局既遵循荷載均衡對(duì)稱的原則，又選擇低而寬的穩(wěn)重造型，營造法式(一本關(guān)于古建筑構(gòu)造及施工工藝要求的書，宋?李誡著)卷5規(guī)定：“柱雖長(zhǎng)不越間之廣”。該規(guī)定使得在任何水平地震作用下柱腳的最大水平剪力都能滿足大于水平地震力，保證了柱子不產(chǎn)生傾覆。類似于現(xiàn)代建筑抗震構(gòu)造措施中的控制寬高比

5、，保證古建筑的總體穩(wěn)定，防止傾覆；柱高小，易于保證柱架的抗側(cè)移剛度。典型的古建筑立面布局。基礎(chǔ)紫禁城的基礎(chǔ)從選址到施工都包含著防震的原理。在選址方面，基礎(chǔ)選址時(shí)要求場(chǎng)地土勻?qū)崳M量避免使得地震作用下地基產(chǎn)生不均勻沉降；基礎(chǔ)的深度取值方面，古建筑的基礎(chǔ)深度規(guī)定在1.23.0米之間；由于古建筑大都為兩層以下建筑，該基礎(chǔ)深度遠(yuǎn)滿足基底抗震受力要求，而且大于中國北方地區(qū)的冰凍線深度(0.8米)；在基礎(chǔ)材料選用上，基底土以灰土為主，灰土層除主要含有鈣、硅、鋁等礦物元素外，還含有“江米汁一層”。該江米(糯米)汁具有一定的柔性，不僅增強(qiáng)了基礎(chǔ)灰土的黏結(jié)力，而且可產(chǎn)生良好的滑移隔震效果。在地基施工方面，古建筑

6、的基底土采用灰土與碎石土分層回填并夯實(shí)，這樣處理后可提高基底承載力，增大基礎(chǔ)抗震能力；對(duì)于不利場(chǎng)地條件下的基礎(chǔ)，古人已考慮采用樁基和承臺(tái)。紫禁城慈寧宮基礎(chǔ)，根據(jù)勘察資料，樁頂深度在地面3.8米以下，樁徑為0.2米左右，間距為0.4米左右，采用的是堅(jiān)硬的柏木。這說明古人已經(jīng)勘察到建造位置下部有受力薄弱的土層，通過樁基將持力層選擇堅(jiān)硬的土層上，以提高建筑物的穩(wěn)定性；另一方面，樁基之上為兩層水平放置的圓木，它們的直徑都在0.2米左右。這兩層圓木非常類似于現(xiàn)代的筏型基礎(chǔ)，地震作用下，該筏型基礎(chǔ)將會(huì)因滑動(dòng)而產(chǎn)生隔震效果；筏基之上則為厚約3米的土層，它們采用粘土(厚約18厘米)與碎石土(厚約5厘米)分層夯

7、實(shí)。該厚重土層相當(dāng)于樁基礎(chǔ)的承臺(tái)，使得整座建筑物能平穩(wěn)地坐落于基礎(chǔ)之上，在地震作用下不易產(chǎn)生傾斜或不均勻沉降。古建筑的基礎(chǔ)部分不僅僅包括地下部分，還包括地上的臺(tái)基部分。臺(tái)基是古建筑的基座，即建在地面上的方座部分，由支承柱子的磉墩(磚墩)、攔土(磚墻體)以及回填灰土組成，周圈還有石材砌體對(duì)臺(tái)基進(jìn)行維護(hù)。臺(tái)基基身除了有防潮隔濕作用外，對(duì)磉墩也有穩(wěn)固作用，保證了柱子基礎(chǔ)的平穩(wěn)。此外，臺(tái)基還有兩大功能：1，作為上部結(jié)構(gòu)的支承承受上部載荷，并把所受到的上部載荷傳遞到地基；2，地震作用時(shí)，改變地震動(dòng)的波形特征傳遞到上部結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)耐震意義上講，臺(tái)基有助于維持上部結(jié)構(gòu)的整體性，以臺(tái)基底面為界，將建筑物與自然

8、場(chǎng)地土分開，臺(tái)基是整個(gè)建筑的“底盤”。地震作用下，臺(tái)基首先就可起到隔震的作用，使一些高頻震動(dòng)峰值被過濾掉。經(jīng)過如此處理后，臺(tái)基剛度分層均勻，承載力高，彈性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，進(jìn)一步消除臺(tái)基下土層的不利影響，地震時(shí)可起隔震和耗能減震的作用，顯著衰減上部木結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。柱子紫禁城中古建筑木柱柱根不落入地下，而是浮擱在表面平整的柱頂石上。柱頂石露明不但可以保護(hù)柱根不腐朽，更重要的是可將上部的結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)斷離開來，使柱根不會(huì)傳遞彎矩，只能靠摩擦傳遞部分的剪力和豎向力。這樣就限制了結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力。上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的斷開標(biāo)志著中國先人的木結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的突破，同時(shí)也反映了上部的主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)有

9、了很好的整體性和空間剛度。為提高古建筑穩(wěn)定性，紫禁城的古建筑最外一圈柱子的下腳向外側(cè)移一定距離，使外檐柱子的上端略向內(nèi)傾斜，即謂側(cè)角。營造法式卷五規(guī)定：“凡立柱，并令柱首微收向內(nèi)，柱腳微出向外，謂之側(cè)腳。”側(cè)角的尺寸一般為0.080.1H，H為柱高。側(cè)角的功能：1，周圍的檐柱均內(nèi)傾，榫卯節(jié)點(diǎn)自然鎖緊，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2，側(cè)角可將部分水平地震力轉(zhuǎn)化為軸向壓力，降低約13.6的水平地震力。生起是另一種增強(qiáng)古建筑抗震性能的構(gòu)造措施。所謂生起，即使檐柱柱高由明間向兩端稍間依次遞增。營造法式 卷五規(guī)定：“凡用柱之制至角則隨間數(shù)生起角柱。”關(guān)于生起尺寸的規(guī)定，營造法式規(guī)定為：“若十三間殿堂，則角柱比平柱

10、生高一尺二寸十一間生高一尺；九間生高八寸；七間生高六寸；五間生高四寸；三間生高二寸。”生起使得古建筑整個(gè)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)凹形面中，不僅降低了結(jié)構(gòu)的重心，而且在水平地震作用下，柱頂與梁之間的摩擦力可抵抗部分地震作用，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。榫卯榫卯節(jié)點(diǎn)主要用于古建筑梁與柱的連接。古建筑的榫卯連接形式有很多種，如在柱根、童柱、瓜柱或柁墩與梁架相交處使用管腳榫；柱頭與梁頭相交部位使用饅頭榫；大額枋、順梁、金枋、脊枋、承椽枋、花臺(tái)枋等梁系構(gòu)件與柱相交部位使用燕尾榫；山面、檐面額枋處使用箍頭榫；以及透榫、半榫、十字卡腰榫、十字刻半榫等等。但從力學(xué)性能考慮，它們又可分為直榫和燕尾榫兩類。燕尾榫又稱大頭榫、銀錠榫，

11、它的形狀是端部寬、根部窄，與之相應(yīng)的卯口是里面大、外面小。它常用于拉扯聯(lián)系構(gòu)件，如檐枋、額枋、金枋、脊枋等水平構(gòu)件與垂直構(gòu)件相交部位。直榫主要分為透榫和半榫，形狀特點(diǎn)是榫頭端部和根部一樣寬。直榫用于需要拉結(jié)但無法用上起下落方法安裝的部位，如穿插枋兩端、抱頭梁與金柱相交處、由戧與雷公柱相交處、瓜柱與梁背相交處等。榫卯連接構(gòu)造雖然榫卯削弱了木構(gòu)件的承載面積，使結(jié)點(diǎn)處的承載力有所下降，但古建筑木結(jié)構(gòu)中材料余度很大，削弱后的木截面面積仍足以承受較大荷載，從而充分利用了半剛性接頭的柔性，可產(chǎn)生良好的抗震效果。地震作用下，榫卯產(chǎn)生拔拉運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生了很大的變形和相對(duì)位移，不僅改變了結(jié)構(gòu)的

12、整體性，也調(diào)整了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配。在地震反復(fù)荷載作用下，梁柱榫卯連接處通過摩擦滑移與擠壓變形耗能，而柱底轉(zhuǎn)動(dòng)滑移減震，形成良好的隔震消能結(jié)構(gòu)體系，相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)處安裝了阻尼器，減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。此外，紫禁城古建筑成熟的榫卯結(jié)合技術(shù)和隨梁、金枋形成的圈粱式圍合結(jié)構(gòu)不僅使木構(gòu)架具有可靠的整體性，其合理的節(jié)點(diǎn)形式還提高了整體結(jié)構(gòu)的防震性能，例如管腳榫、套頂榫、饅頭榫提供了良好的抵抗水平力地震作用的能力，而箍頭榫則具有很強(qiáng)的拉結(jié)力和抗剪能力。斗拱斗拱是位于屋架與柱頭之間的部位，斗拱層與層之間的連接應(yīng)該是“勢(shì)合形離”，即斗拱的分層之間上下相鄰層間平擱疊置，主要靠斗與拱、枋之間的靜摩擦力來抵抗水平滑移，實(shí)

13、際上在斗拱安裝時(shí)上下層構(gòu)件之間通過暗銷固定。斗拱按位置可分為外檐斗拱和內(nèi)檐斗拱，而外檐斗拱又可分為平身科、柱頭科、角科斗拱，鎏金斗拱，平坐斗拱等；內(nèi)檐斗拱包括品字科斗拱、隔架斗拱等。紫禁城神武門鎏金斗拱構(gòu)造照片。水平地震作用下，斗拱產(chǎn)生傾斜時(shí)，在水平和豎向同時(shí)產(chǎn)生減震作用：斗拱的水平減震機(jī)理可以通過如下兩個(gè)方面進(jìn)行說明：一方面坐斗產(chǎn)生傾斜，并帶動(dòng)正心瓜拱產(chǎn)生水平移動(dòng)，正心萬拱和正心枋也因與槽升子相連產(chǎn)生變形位移，并產(chǎn)生擠壓和剪切作用，阻止正心瓜拱和坐斗變形；另一方面，坐斗位移時(shí)，要帶動(dòng)上面的翹位移，而與坐斗正交的翹由于構(gòu)造上的特殊處理，只與坐斗產(chǎn)生摩擦力，其本身位移很少，因而產(chǎn)生了水平減震效果

14、。斗拱的豎向隔震機(jī)理可以理解為：斗拱構(gòu)件由于在豎向分層疊加，這些木構(gòu)件充當(dāng)了彈簧墊作用，可將上部荷重的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，并通過上下層的壓縮變形巧妙地將能量耗散掉，從而起到減震作用。屋頂紫禁城的古建筑中屋頂重量較大，這固然可增加地震時(shí)的慣性力，但它可以增強(qiáng)斗拱的豎向隔震能力以及柱底的抗滑移能力，保證了結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性。而且，由于木結(jié)構(gòu)材料的特殊性，其在承受壓力之前，有較大的幾何可變性，只有在承受一定的壓力之后，榫卯相互擠壓緊密，從而使榫頭擠壓產(chǎn)生塑性變形、摩擦耗能，各構(gòu)架之間的連接趨于密合，使得構(gòu)架具備一定的抵抗側(cè)向荷載和側(cè)向變形的能力。因此，大重量、大剛度的屋頂為木構(gòu)架之間的連接提供足夠

15、的摩擦力和阻尼，加強(qiáng)了梁柱結(jié)構(gòu)之間的整體性和穩(wěn)定性。按構(gòu)造組成分析，屋面結(jié)構(gòu)主要組成構(gòu)件是望板和椽子和瓦面。望板釘在椽子背上，主要從縱向把椽子連成一體：椽子則在縱向與望板結(jié)合為一體，橫向又把承托椽子的屋檁連接起來。這種結(jié)構(gòu)使屋面結(jié)構(gòu)成為整體性很強(qiáng)的“曲面板”，整體剛性很大。另外，屋面相對(duì)于整個(gè)屋頂來說好似一個(gè)很大的蒙皮，在這個(gè)蒙皮的作用下，屋頂?shù)恼w性得到了加強(qiáng)，有利于抗震。望板之上是很厚的分層粘性土，它們不但起到保溫隔熱作用，而且還與瓦面粘接在一起，保證了筒瓦及蓋瓦在地震中不易滑落松動(dòng)。其他紫禁城的古建筑具有增強(qiáng)抗震性能的其他構(gòu)造，如：在額枋下普遍安裝雀替，它增大了梁支座截面，增強(qiáng)了柱額節(jié)點(diǎn)

16、在地震作用下的抗彎、抗剪能力；具有很厚的墻體，如紫禁城神武門的墻體厚達(dá)1.065米，與金柱緊密結(jié)合，提高了柱子沿墻體方向的抗側(cè)移能力，而且，墻的下部比上部厚，降低了水平地震剪力；為防止地震作用下屋頂產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)，營造法式卷13規(guī)定了古建筑大尺寸的大吻用鐵鏈固定，以加強(qiáng)大吻與屋頂?shù)倪B接等。紫禁城的古建筑還有增強(qiáng)自身整體剛度的其他構(gòu)造措施，如：在柱根之間常設(shè)有地袱，兩端與柱根固定，可以抵制地震作用下柱腳滑動(dòng)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在柱頂與斗拱之間設(shè)有平板枋，它減小了柱頭不均勻側(cè)移對(duì)斗拱的影響，增強(qiáng)了柱架的空間剛度，相當(dāng)于現(xiàn)代圈梁的作用；在內(nèi)轉(zhuǎn)角使用了抹角梁以加強(qiáng)正面和側(cè)面的檐柱與額枋的聯(lián)系，增強(qiáng)了其抗側(cè)移性能等。以上通過對(duì)紫禁城建筑的防震措施分析，可以看到這些古建筑從基礎(chǔ)到屋頂各個(gè)組成部分無不包含著防震的措施。這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)和方法，值得我們研究和總結(jié)。(本文第一作者周乾：工程師，主要從事文物建筑抗震、減震及振動(dòng)控制研究。)責(zé)編水清