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建筑抗震理念源于中国古建筑智慧

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有相当一批古建筑虽然经受了数百年乃至千余年的风雨袭击和地震劫难,但至今仍岿然挺立甚至完好如初,可谓中国乃至世界建筑史上建筑结构抗震的奇迹。

根据梁思成等专家学者研究,有关建筑结构的抗震方面诸如房屋、佛塔、寺庙、楼台亭阁及桥梁等,我们的祖先积累了许多宝贵的经验。这些经验中既有关于工程选址、地基处理方面的技术,也有结构抗震及建筑选材和施工工艺方面的技巧,可以说应有尽有。因此,有相当一批古建筑虽然经受了数百年乃至千余年的风雨袭击和地震劫难,但至今仍岿然挺立甚至完好如初,可谓中国乃至世界建筑史上建筑结构抗震的奇迹。这些建筑结构既具有极其珍贵的历史价值、科学价值,又具有极其珍贵的观赏价值,真不愧为世界建筑史中的奇葩。

建于公元741-755年唐朝天宝年间的河北蓟县独乐寺观音阁,重建于公元984年,距今有1020余年的历史。观音阁先后经历了28次地震的袭击,特别是公元1057年固安6 级地震、1624年滦县6 级地震、1679年三河—平谷8级地震和1976年唐山7.8级地震,距蓟县均近在咫尺,但独乐寺观音阁却安然无恙、纹丝不动。其建筑整体的抗震性能之强,令世界建筑界惊叹,被日本、美国等国内外抗震专家称为中外建筑结构抗震史上的奇迹!该寺主体建筑的观音阁,为高23米的双层建筑阁体木构架的框架,各节点以斗拱相连,连接处皆以木齿相咬合,结构极为精巧。我国建筑学家梁思成先生曾对观音阁的五架梁做过动静荷载及挠曲、剪切等应力计算后,发现该阁的梁架结构用料非常得当,如同经过精心计算。由于观音阁的用材、结构合理,特别是上层梁架和屋顶较轻柱网布设整体合理匀称,卯榫结合严密而不死板,令地基匀称、坚实,所以经历了多次强烈风暴和地震袭击与数次战乱洗礼,依然我行我素般巍然屹立。

山西应县木塔,始建于公元1056年,距今已有950余年历史。塔高67.3米,基底直径30米,平面呈八角形。从外面看去,塔体为5层,但在各层之间均有一个暗层,所以实际上为9层。该地区的地下水水位较浅,因而在塔基为桩的基础上,当年的能工巧匠先砌了高出地面1.5米左右的方形石块,再砌了高2.5米左右的八角形石基,这令塔基至今稳妥牢固,坚如磐石。塔内木结构层间的暗层,由木立柱与枋斗拱逐级而上,以多层木框架和木圈梁叠加而成。全塔的斗拱有54种构架,所有节点均具有消能功能和卯榫结合的特征,塔的暗层加强了塔身整体的安全性,设计极为科学,同时严密结构、构造精细,是中国古建筑中木塔的极佳代表,被国际建筑界誉为“世界木塔之冠”。该塔从建立至今的950年间,经历了无数次暴风骤雨和7次大地震的袭击与战乱考验。抗日战争时期,居然曾被200余发炮弹击中,但古塔整体结构未受重创,经过修葺后基本构架仍安然无恙。山西应县木塔之所以抗震性能如此强,其原因在于塔身采用了多层木框架结构,木材是柔性建筑材料,所以结构整体柔性很强,可令建筑在受力后易于恢复原状。另外,构架与结构各节点,均采用消能作用极强的卯榫结合,规整的4个暗层增加了塔的整体稳定性,每组斗拱恰似一道可伸缩的弹性网络,缓冲分解受力的作用明显。应县木塔的结构,充分反映出我国古代工匠师们在结构组合、作用力平衡及结构抗震等方面,拥有卓尔不群的聪明才智和宝贵先进的经验。

“四裂三合”的西安小雁塔是具有典型唐代风格的方形密檐式砖塔,始建于公元706-710年唐中宗景龙年间,距今已近1300年历史。《长安县志》记载,“塔基周一顷十五亩浮图十五级高三百余丈”塔座、塔底、塔身特别厚重、高大,在第6层以上塔身建筑造型呈逐渐收缩趋势,整体给人以古朴、雄浑、挺拨秀丽之感,是我国古砖塔的鲜有杰作。 小雁塔自建成以来,经受了70余次地震袭击,其中最为严重的4次分别是公元1487年临潼6级地震,造成小雁塔沿南北两测各层的门窗洞口,从塔顶到底屋裂开一尺多宽的裂缝,将塔一分为二;公元1521年,西安4 级地震,该塔竟在一夜之间将一尺多宽的裂缝自己弥合如故,其外再次神奇般观完好如初;公元1556年,华县8级大地震时,距震中区80余公里外的小雁塔,同样也是在一夜之间又沿前次塔身裂缝处再次裂开。其后,又在余震作用下奇迹般复合、再裂开、又复合反复多次。在1920年,海原8.5级大地震中,西安处于地震破坏区中心,城楼、墙垣、民房多有摇塌。在这次地震里,小雁塔也未能幸免的第4次裂开,但最终并未垮塌,反而能自我修复一般,经过震后“痊愈”,又出现在世人眼前。如此情形到1965年,国家拨专款维修,并用钢筋加固,才结束了小雁塔反复裂合的历史。小雁塔在近1300年的岁月中,经受了70余次地震的摧残,不仅塔身严重开裂,塔顶也残遭塌落,使原15层、高46米的塔身现仅有13层43米高在南、北两侧,各层的同一竖向位置均设有门窗洞,从塔身结构整体来说,这是结构强度最薄弱的部位,地震时在塔身整体受力情况下是首先造成破坏的部位,因此造成塔身自上而下的开裂。但该砖砌体塔身施工精细,塔基既宽厚又紧固,塔身虽裂为两半但仍坚固,而且其重心始终保持稳定并倾向塔心,因此才得以裂而不倒。当再遭遇地震作用时,能使塔身产生一定位移,相反的引力令塔身实现上次裂缝的自动合拢,增强了塔身整体抗御地震的能力。当又遭遇地震时,塔身又沿原裂缝再度开裂,这就是小雁塔建塔1300年来如此神秘、巧合的“四裂三合”的根本原因所在。

泉州双石塔始建于公元860年唐咸通六年,东塔称“镇国塔”,西塔称“仁寿塔”。东塔原为9层木塔后改为7层砖塔,于公元1238年又改建为5层石塔,塔高48.24米,对称边宽18.5米;西塔高44.06米,在公元1130-1237年间的一次大火烧毁后改建为砖塔,公元1225-1227宋宝庆年又将其改建为石塔。东、西双塔现均为5层8角形、五檐仿木结构的楼阁式网岩结构。公元1604年,泉州当地发生了一次8级大地震,本地烈度高达10级,此外先后于1607年和1609年,又发生了两次6级左右的强余震。在8级大地震时,双塔的东塔“第一层石坠,第二、三层扶栏因之并碎”,西塔则完好无损,至今仅见梁裂现象,塔基与双塔结构整体均保持完好,建筑结构抗震性能堪称“世界抗震第一石塔”。之所以如此强大的抗震功能,其主要原因是双塔塔身结构严密,塔形规则对称,结构整体稳定性强。由于2塔身是用规则的巨形花岗岩石块叠砌成10.5米的实心八角柱,尤其支撑塔心的“擎天柱”力量强度高,重心稳固,承载力强。塔身的8个转角处,均设有倚柱柱顶,另附设有栌斗、华拱,层层托出以便更好的缩小石梁的跨度,塔心柱与2米厚的外墙之间的石梁和托梁,以榫眼严紧接合,再次双保险般的牢固。塔的每层设4门和4龛门楣,位置逐层互换,既改变了竖向局部位置的受力状态,又美观大方,并且与塔顶8条平衡对称的大铁链构成比例恰当,符合力学原理的整体结构,令塔身更加庄重威严。由于塔身整体近于圆柱结构,所以从任何方向传来的力,都能较均匀传递到塔身各部位,这也是该双塔在8级大地震袭击下竟仍能傲然屹立、英姿依旧的重要原因。泉州双石塔既是闽南花岗岩石建筑结构的奇葩,又是闽南祖人花岗岩石建筑结构抗震工艺的精髓,更是我国劳动人民古塔建筑智慧和高超造诣的绝妙体现。

神秘的闽南客家“土楼” ,位于福建省西南部的丘陵地区,是 “客家人”的传统住宅。这些所谓的“客家人”,原指居住在黄河中、下游一带的汉人,他们在公元265-316年间大规模南迁,“客家人”是相对于祖居此地的原著人而产生的特有称谓。这些“外来客”多居住在偏僻的山区,为了防匪、防盗和防当地人攻击“惟恨所居之不远所藏之不密”,所以建造了外形古朴高大,或方或圆形的雄伟壮观的民居建筑——“土楼”。“土楼”一般是由几十户人家联合筑建的群居民宅形成,主要建材为就地取土再掺入细砂、石灰、糯米饭、糖、木条及竹片等经反复搅拌、捣砸均匀后,再由底部一层层夯实筑成底厚1~2米、上部厚0.5~0.7米、高10~15米的方形或圆形土墙,墙内再夯筑隔墙从而建成“土楼”。“土楼”多为3~5层形,似斧头状,称其“斧头间”,每层有30余“斧头间”房屋。楼内设有3~4个楼梯口与各楼层相通,这种“土楼”很象甘肃省墙体承重类型房屋中夯土墙房屋的2层楼房。所不同的是,“土楼”的土料强度极高,“土墙”外形规则,特别是圆形“土楼”的任何方向受力均匀,传递到结构的各个部位,可以很好地承受暴风骤雨及抗震。由于 “土楼”墙体既高又厚,其御寒、保温、隔热性能极佳,冬暖夏凉,是适应当地气候环境的最佳民宅。另外,它还防匪、防盗,是防御性很强的安全“堡垒”。“土楼”地基座落于山头或平整后的山坡上,另在基岩或坡积层较浅的地基建有防暴雨和洪水的石阶。例如闽南南靖县书洋乡一座建于公元1723清雍正年间的“长源土楼”,其1层楼基用几百斤重的大石块从河底砌起高52米、长46米的护墙,再用石块填成2层楼基,最后用土料夯成高8.17米的土墙。因为施工精细,虽然经受了280余年雷雨风暴和数十次地震的袭击,“长源土楼”依然亭亭玉、容貌如故。 “土楼”中的“寿星”,则是位于闽南华安县岱山村的圆形“齐云楼”,始建于公元1371年,距今已近640年。“土楼之王”是闽南平和县芦溪的“丰作厥宁楼”,该楼始建于公元1662-1722清康熙年间,距今约有310余年。该“土楼”坚固的夯土墙底层厚2米,土楼外径达77米,其规模之大可见一斑。楼内的水井用3个圆孔的完整石板盖覆盖,既作取水用又利用声音在井中的共振作用,紧急时对孔呼喊,即可传遍整座“土楼”,成为“信息传递器”。可见闽南“客家人”的“土楼”,是我国民居传统建筑中的瑰宝、世界民居生土建筑中的珍宝,更是祖先们结合当地自然环境和人文环境,塑造而成的绝佳智慧和高超建筑工艺的完美体现。

纵观中国古建筑,结构抗震性能好的根本原因有4点,一是在于结构整体平面形态规则、对称、或近圆筒形使结构各部位、各节点受力相对均衡,不易产生局部应力集中而造成破坏;二是建筑结构地基基础处理得当,宽厚又坚固,不易产生因局部地基失稳而引起的建筑结构破坏;三是建筑主体结构骨架坚固布局匀称,合理节点多以联结性能强、消能性好的卯榫结合,所以承载力强,抗震性能好;四是建筑选材及用材合理恰当,工艺精细,深谙物理学原理。