紫禁城古建筑的防震绝技

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2008年5月12日，四川汶川地区发生了8.0级特大地震，给人民生命财产包括文物古迹造成巨大损失。由此引起的包括博物馆在内的建筑物抗震成为一个极其重要的话题。北京紫禁城古建筑群历600年风雨沧桑、经200余次大小地震考验而完好无损，为我们提供了可资借鉴和学习的宝贵经验。

几点体会和设想

1　要不惜重金建设好能防8级或8级以上地震的文物库房。这种库房，必须用最好的钢材和800标的水泥灌注而成，丝毫马虎不得。

2　要认真关心和做好地震的预测工作，这虽然是世界未解决的难题，但我们是唯物主义的可知论者，而不是不可知论者，只要我们不断认真地探索，总会有所发现，有所前进的。事实上，对于辽宁营口和唐山大地震，我国地震专家就有过预报，并转告给相关文物单位，从而减少了地震造成的损失。此外，唐山等地大地震前夕，在地震的中心地带已经发生了多起异常现象，如水库或池塘的鱼成群游出水面，并表现出惶恐不安；马匹不肯入圈，暴跳嘶鸣；大小家犬狂吠不止；电磁波突然增多等等。可能这些都是大震前的一些先兆，对我们了解地震和预防都有提示作用。对此种异常表现应慎重对待，探求原由，不可麻痹大意。

3　我国是地震多发地区，我们十分期望国家今后能多拨款项，加强这方面的观察、预测、研究工作，要建立全国的观察、预测地震网，建立一支业务过硬、忠于职守的防震队伍。国家文物局要组织文物专家、骨干，赴四川、甘肃、陕西等地进行实地考察，为文物系统如何防震、抗震搜集第一手资料，以供今后防震、抗震工作参考。

引言

中国的古代建筑以木结构为主，具有悠久的建筑文化和历史。千百年来，它们历经各种地震灾害而仍然保存完好，如北京的紫禁城、天津的独乐寺、山西的应县木塔等。以北京紫禁城木结构建筑群为例，其建成于公元1420年，至今已有将近600年的历史，其间经历地震222次，含4次8度地震，除部分墙面倾闪及瓦件掉落以外，宫内大木结构体系均完好无损。

紫禁城古建筑由下往上的构成依次为：基础(台基)、柱子、榫卯、斗拱、梁架、屋顶等。各部分究竟有着何种抗震措施，使得古建筑能在地震中“屹立不倒”?本文将对其作具体分析，为我国古建筑的保护和修缮提供科学依据。

布局

紫禁城古建筑平面布置主要为对称、规则及均衡的矩形几何图形，典型的古建筑平面布局图。这种布局使结构的质心与刚度中心重合，可以避免在水平荷载下产生扭转的不利内力。从立面布局角度看，一方面，沿结构高度方向，结构质量与刚度从构件角度来看没有悬殊的变化，且没有突然削弱的薄弱层，在地震中不会因变形集中而产生破坏；另一方面，立面布局既遵循荷载均衡对称的原则，又选择低而宽的稳重造型，《营造法式》(一本关于古建筑构造及施工工艺要求的书，宋・李诫著)卷5规定：“柱虽长不越间之广”。该规定使得在任何水平地震作用下柱脚的最大水平剪力都能满足大于水平地震力，保证了柱子不产生倾覆。类似于现代建筑抗震构造措施中的控制宽高比，保证古建筑的总体稳定，防止倾覆；柱高小，易于保证柱架的抗侧移刚度。典型的古建筑立面布局。

基础

紫禁城的基础从选址到施工都包含着防震的原理。在选址方面，基础选址时要求场地土匀实，尽量避免使得地震作用下地基产生不均匀沉降；基础的深度取值方面，古建筑的基础深度规定在1.2～3.0米之间；由于古建筑大都为两层以下建筑，该基础深度远满足基底抗震受力要求，而且大于中国北方地区的冰冻线深度(0.8米)；在基础材料选用上，基底土以灰土为主，灰土层除主要含有钙、硅、铝等矿物元素外，还含有“江米汁一层”。该江米(糯米)汁具有一定的柔性，不仅增强了基础灰土的黏结力，而且可产生良好的滑移隔震效果。

在地基施工方面，古建筑的基底土采用灰土与碎石土分层回填并夯实，这样处理后可提高基底承载力，增大基础抗震能力；对于不利场地条件下的基础，古人已考虑采用桩基和承台。紫禁城慈宁宫基础，根据勘察资料，桩顶深度在地面3.8米以下，桩径为0.2米左右，间距为0.4米左右，采用的是坚硬的柏木。这说明古人已经勘察到建造位置下部有受力薄弱的土层，通过桩基将持力层选择坚硬的土层上，以提高建筑物的稳定性；另一方面，桩基之上为两层水平放置的圆木，它们的直径都在0.2米左右。这两层圆木非常类似于现代的筏型基础，地震作用下，该筏型基础将会因滑动而产生隔震效果；筏基之上则为厚约3米的土层，它们采用粘土(厚约18厘米)与碎石土(厚约5厘米)分层夯实。该厚重土层相当于桩基础的承台，使得整座建筑物能平稳地坐落于基础之上，在地震作用下不易产生倾斜或不均匀沉降。

古建筑的基础部分不仅仅包括地下部分，还包括地上的台基部分。台基是古建筑的基座，即建在地面上的方座部分，由支承柱子的磉墩(砖墩)、拦土(砖墙体)以及回填灰土组成，周圈还有石材砌体对台基进行维护。台基基身除了有防潮隔湿作用外，对磉墩也有稳固作用，保证了柱子基础的平稳。此外，台基还有两大功能：1，作为上部结构的支承承受上部载荷，并把所受到的上部载荷传递到地基；2，地震作用时，改变地震动的波形特征传递到上部结构。从结构耐震意义上讲，台基有助于维持上部结构的整体性，以台基底面为界，将建筑物与自然场地土分开，台基是整个建筑的“底盘”。地震作用下，台基首先就可起到隔震的作用，使一些高频震动峰值被过滤掉。经过如此处理后，台基刚度分层均匀，承载力高，弹性强，稳定性好，进一步消除台基下土层的不利影响，地震时可起隔震和耗能减震的作用，显著衰减上部木结构的地震反应。

柱子

紫禁城中古建筑木柱柱根不落入地下，而是浮搁在表面平整的柱顶石上。柱顶石露明不但可以保护柱根不腐朽，更重要的是可将上部的结构和下部基础断离开来，使柱根不会传递弯矩，只能靠摩擦传递部分的剪力和竖向力。这样就限制了结构中可能出现的最大内力。上部结构与基础的断开标志着中国先人的木结构技术已经取得了巨大的突破，同时也反映了上部的主体结构已经有了很好的整体性和空间刚度。

为提高古建筑稳定性，紫禁城的古建筑最外一圈柱子的下脚向外侧移一定距离，使外檐柱子的上端略向内倾斜，即谓侧角。《营造法式》卷五规定：“凡立柱，并令柱首微收向内，柱脚微出向外，谓之侧脚。”侧角的尺寸一般为0.08～0.1H，H为柱高。侧角的功能：1，周围的檐柱均内倾，榫卯节点自然锁紧，增强结构的稳定性。2，侧角可将部分水平地震力转化为轴向压力，降低约13.6％的水平地震力。

生起是另一种增强古建筑抗震性能的构造措施。所谓生起，即使檐柱柱高由明间向两端稍间依次递增。《营造法式》 卷五规定：“凡用柱之制……至角则随间数生起角柱。”关于生起尺寸的规定，《营造法式》规定为：“若十三间殿堂，则角柱比平柱生高一尺二寸……十一间生高一尺；九间生高八寸；七间生高六寸；五间生高四寸；三间生高二寸。”生起使得古建筑整个结构处于一个凹形面中，不仅降低了结构的重心，而且在水平地震作用下，柱顶与梁之间的摩擦力可抵抗部分地震作用，增强了结构的稳定性。

榫卯

榫卯节点主要用于古建筑梁与柱的连接。古建筑的榫卯连接形式有很多种，如在柱根、童柱、瓜柱或柁墩与梁架相交处使用管脚榫；柱头与梁头相交部位使用馒头榫；大额枋、顺梁、金枋、脊枋、承椽枋、花台枋等梁系构件与柱相交部位使用燕尾榫；山面、檐面额枋处使用箍头榫；以及透榫、半榫、十字卡腰榫、十字刻半榫等等。但从力学性能考虑，它们又可分为直榫和燕尾榫两类。燕尾榫又称大头榫、银锭榫，它的形状是端部宽、根部窄，与之相应的卯口是里面大、外面小。它常用于拉扯联系构件，如檐枋、额枋、金枋、脊枋等水平构件与垂直构件相交部位。直榫主要分为透榫和半榫，形状特点是榫头端部和根部一样宽。直榫用于需要拉结但无法用上起下落方法安装的部位，如穿插枋两端、抱头梁与金柱相交处、由戗与雷公柱相交处、瓜柱与梁背相交处等。榫卯连接构造虽然榫卯削弱了木构件的承载面积，使结点处的承载力有所下降，但古建筑木结构中材料余度很大，削弱后的木截面面积仍足以承受较大荷载，从而充分利用了半刚性接头的柔性，可产生良好的抗震效果。

地震作用下，榫卯产生拔拉运动。在这个过程中，结构构件产生了很大的变形和相对位移，不仅改变了结构的整体性，也调整了结构的内力分配。在地震反复荷载作用下，梁柱榫卯连接处通过摩擦滑移与挤压变形耗能，而柱底转动滑移减震，形成良好的隔震消能结构体系，相当于在节点处安装了阻尼器，减小了结构的地震响应。

此外，紫禁城古建筑成熟的榫卯结合技术和随梁、金枋形成的圈粱式围合结构不仅使木构架具有可靠的整体性，其合理的节点形式还提高了整体结构的防震性能，例如管脚榫、套顶榫、馒头榫提供了良好的抵抗水平力地震作用的能力，而箍头榫则具有很强的拉结力和抗剪能力。

斗拱

斗拱是位于屋架与柱头之间的部位，斗拱层与层之间的连接应该是“势合形离”，即斗拱的分层之间上下相邻层间平搁叠置，主要靠斗与拱、枋之间的静摩擦力来抵抗水平滑移，实际上在斗拱安装时上下层构件之间通过暗销固定。斗拱按位置可分为外檐斗拱和内檐斗拱，而外檐斗拱又可分为平身科、柱头科、角科斗拱，鎏金斗拱，平坐斗拱等；内檐斗拱包括品字科斗拱、隔架斗拱等。紫禁城神武门鎏金斗拱构造照片。

水平地震作用下，斗拱产生倾斜时，在水平和竖向同时产生减震作用：斗拱的水平减震机理可以通过如下两个方面进行说明：一方面坐斗产生倾斜，并带动正心瓜拱产生水平移动，正心万拱和正心枋也因与槽升子相连产生变形位移，并产生挤压和剪切作用，阻止正心瓜拱和坐斗变形；另一方面，坐斗位移时，要带动上面的翘位移，而与坐斗正交的翘由于构造上的特殊处理，只与坐斗产生摩擦力，其本身位移很少，因而产生了水平减震效果。斗拱的竖向隔震机理可以理解为：斗拱构件由于在竖向分层叠加，这些木构件充当了弹簧垫作用，可将上部荷重的动能转化为重力势能，并通过上下层的压缩变形巧妙地将能量耗散掉，从而起到减震作用。

屋顶

紫禁城的古建筑中屋顶重量较大，这固然可增加地震时的惯性力，但它可以增强斗拱的竖向隔震能力以及柱底的抗滑移能力，保证了结构的整体性及稳定性。而且，由于木结构材料的特殊性，其在承受压力之前，有较大的几何可变性，只有在承受一定的压力之后，榫卯相互挤压紧密，从而使榫头挤压产生塑性变形、摩擦耗能，各构架之间的连接趋于密合，使得构架具备一定的抵抗侧向荷载和侧向变形的能力。因此，大重量、大刚度的屋顶为木构架之间的连接提供足够的摩擦力和阻尼，加强了梁柱结构之间的整体性和稳定性。

按构造组成分析，屋面结构主要组成构件是望板和椽子和瓦面。望板钉在椽子背上，主要从纵向把椽子连成一体：椽子则在纵向与望板结合为一体，横向又把承托椽子的屋檩连接起来。这种结构使屋面结构成为整体性很强的“曲面板”，整体刚性很大。另外，屋面相对于整个屋顶来说好似一个很大的蒙皮，在这个蒙皮的作用下，屋顶的整体性得到了加强，有利于抗震。望板之上是很厚的分层粘性土，它们不但起到保温隔热作用，而且还与瓦面粘接在一起，保证了筒瓦及盖瓦在地震中不易滑落松动。

其他

紫禁城的古建筑具有增强抗震性能的其他构造，如：在额枋下普遍安装雀替，它增大了梁支座截面，增强了柱额节点在地震作用下的抗弯、抗剪能力；具有很厚的墙体，如紫禁城神武门的墙体厚达1.065米，与金柱紧密结合，提高了柱子沿墙体方向的抗侧移能力，而且，墙的下部比上部厚，降低了水平地震剪力；为防止地震作用下屋顶产生鞭梢效应，《营造法式》卷13规定了古建筑大尺寸的大吻用铁链固定，以加强大吻与屋顶的连接等。

紫禁城的古建筑还有增强自身整体刚度的其他构造措施，如：在柱根之间常设有地袱，两端与柱根固定，可以抵制地震作用下柱脚滑动，增强了结构的稳定性；在柱顶与斗拱之间设有平板枋，它减小了柱头不均匀侧移对斗拱的影响，增强了柱架的空间刚度，相当于现代圈梁的作用；在内转角使用了抹角梁以加强正面和侧面的檐柱与额枋的联系，增强了其抗侧移性能等。

以上通过对紫禁城建筑的防震措施分析，可以看到这些古建筑从基础到屋顶各个组成部分无不包含着防震的措施。这些宝贵的经验和方法，值得我们研究和总结。

(本文第一作者周乾：工程师，主要从事文物建筑抗震、减震及振动控制研究。)

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