大地震中的中國傳統建筑

發布時間:2019-03-19 點擊次數:336 新聞來源:【本站】

 

大地震中的中國傳統建筑

中國土木工程學會防震減災工程技術推廣委員會  委員

中國建筑學會工程建設學術委員會  理事

教授級高工  佟建國

2013420日四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震。地震已造成房屋倒塌5.6萬余間。然而在這樣大的地震中,一座在地震中“毫發無損”的瓦木結構建筑引起了社會的廣泛關注,被網友稱為“樓堅強”。

蘆山張家大院為瓦木結構四合院,坐落于雅安市蘆山縣龍門鄉古城村山腳下,7戶張姓人家居住,地震后 ,周圍民房或倒塌、或開裂不同,老宅除了屋脊上掉下幾頁瓦片外,其他幾乎完好無損。

我們講現代減震控制技術時,不得不談到中國傳統建筑。我們知道,中國是地震多發國家,“農者知耕 ,匠者知木”。古代工匠們在長期與地震的斗爭中不斷總結、積累豐富而又精湛的經驗。逐漸形成了一整套獨特的防震體系,其內涵博大精深,許多現有的建筑齡逾千年,震而不壞,震而不倒。中國古代建筑的防震思想的形成和發展經歷,具有珍貴的歷史和科學價值。其簡潔有效的“以柔克剛”機理,對我們現代減震控制技術的研究具有及其寶貴落的借鑒意義。

古代工匠發明了榫卯、斗拱、梯形結構等是當時人們發現的最符合自然規律的建筑結構方式。而今天的人憑借著強大的科學技術,雖然創出了更多的建筑奇觀,但這些高科技卻讓人們誤忘自然界那些恒定的規律。

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與西方傳統建筑“以剛克剛”不同,中國傳統建筑結構在抵抗地震沖擊時,采用的是“以柔克剛”的思維通過種種巧妙的措施,作為對比,西方數千年一直采用承面場消弭至最小程度。將成到工業革市近現代科學技術發展以后才限品到框架結構的優越性。這種框架結構仍然是“以剛克剛”,而中國傳統結構具有框架結構的優越性,可以達到“墻倒而屋不倒"的功底其柔性連接又使它具有相當的彈性和一定程度的自我恢復力。5.12汶川地震許多文物建筑均不同程度受損,但主體仍未倒塌。這就是這種柔性框架結構抗震能力的表現。

1.     蘆山張家大院

“張家大院”坐落在蘆山縣龍門鄉古城村東南的一處山腳下,正好位4.20震中區。四合院坐南朝北,共有16間住房,面積972平方米。這座建于清朝同治年間、距今180年歷史、上下兩層,木瓦結構的老宅,與周圍民房或倒塌、或開裂的民宅相比,在這次大地震中除了屋脊脫落幾塊瓦片外,居然沒有地震的裂痕。沒有任何損傷。

這座古色古香的四合院式者宅,青石鋪面天井的老宅,現在住了7戶人家,本來蓋了新房的5戶已經搬走,震后因為新房不同程度的損傷又都搬了回來。  “老屋經事多,住著踏實”。住戶如是說,老老少少40多口人住在這里,生活和震前沒什么兩樣。長征期間,這里還曾是紅30軍司令部。蘆山龍門鄉古城村的這座老宅,歷經了一百多年來的風霜雨雪、紛飛站火,特別是近5年來還連續經歷了汶川、蘆山兩次強震,卻依然屹立于天地之間,不得不讓人感慨萬千。

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震而不損,震而不倒的奧秘在哪兒?從結構.上看似乎與后期木瓦徒結構沒什么不同,環顧整個大院,中間是天井,所謂墻壁是古色的木板,地基是采用的柱礎,地上則是鋪的改造的黃沙石。屋頂是老式瓦片,靠近前廳的屋頂上,有些瓦片脫落。

奧妙就在于這是一坐"隔震”的建筑!整個建筑外圍承重立柱沒有限位的放在柱礎上,地基振動時通過立柱底面與柱礎接觸面的錯動,從而消耗了地震傳至上部結構的能量,使上部結構的振動減小。我們到西雙版納看到的也是這樣。( 2 )立柱完全放在柱礎上,地震來的時候,立柱在柱礎上錯動一下,消耗能量,房子反而不倒。

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應縣木塔始建于遼代,至今已有957年歷史,塔高67.3.紅松木料3000立方,約2600多噸。塔平面為八角形。地面直徑約為32m,整個木塔高聳蒼勁、莊嚴雄渾,是當今世界最高大的木結構建筑。與比薩斜塔和埃菲爾鐵塔被世人稱為“世界三大奇塔”。(圖3)近千年的歲月中,木塔經受了日夜,四季變化,風霜雨雪侵蝕外。還遭受了多次強烈的地震襲擊。據史書記載,元大德九年八月,大同發生6.5級地震,有聲如雷,波及木塔,元順帝間,立應縣大震7日,塔旁矮小舍宇皆倒塌,唯木塔巋然不動?,F代邢臺、唐山、大同一帶屢次地震都波及木塔,木塔擺動,風鈴全部震響,持續五分鐘。過后木塔巋然不動,傲然挺立!木塔的結構采用斗拱、榫卯,柱梁鑲嵌行穿插吻合,(圖4)特別是在節點處不用釘,不用鉚。由于不是剛性連接,地震力又不會集中在一個點,而分配到各個榫卵斗拱處,地震時相互錯動回位,加之木材又其有磚混結構不具備的輕量化和韌性,從而消耗地震能量,僅斗拱就有50多種,古人解決抗震的技術之高,連現代人都覺得不可思議。比如塔底回廊外,由24根木柱支撐。在靜止的情況下,單根木柱大概負荷為120噸,可是柱下的基石根本沒有巢臼,完全是放在基石上的。據說有人用細線能在基石與木柱間橫過。所以民間有傳說是24跟柱子輪流休息,不放長假。這當然是傳說,但是木柱完全放在基石上是沒話可說的。這和,上述蘆山家大院同樣的道理。近代日本的地震專家在《地震與建筑》一書提出了五條抗震設計原則。我們在將木塔結構特點與之對比就會發現。早在957年前,應縣木塔的設計者已經深深懂得了并完成了這些創舉。

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始建于公元741- 755年唐朝天寶年間,重建于公元984年遼代,迄今已有1019年。(圖5)觀音閣先后經歷了28次地震襲擊,特別是1679年三河平谷和1976個一唐山7.8級地震距薊縣可以說是近在咫尺,但安然無恙,紋絲未動,其建筑整體的抗震能力之強,使世界建筑界驚嘆,堪稱中外建筑結構抗震奇跡。主體建筑高為23m雙層結構。閣體木構架,框節點以斗拱相連,鏈接處皆以木齒咬合,結構相當精巧。梁思成先生曾對觀音閣的五架梁作過動、靜載荷及繞曲、剪切等應力計算后發現,該閣的梁架用料非常得當,如同靜心計算。由于觀音閣用料用材,結構合理,特別是上層梁架和屋頂較輕,柱網布設整體合理均勻,榫卯結合嚴密而不死,地基勻稱堅實。所以雖經歷多次強烈地震和強烈風暴襲擊但任然巍然吃立。中國古代建筑以它優美的輪廓和變化多姿的形式而令世人贊賞.但這樣的外形不是任意造成,而是適應內部結構的性能和實際用途需要而產生的。

4.馬爾康直波碉樓

該碉樓2001年被評為全國重點文物保護單位。( 6)

直波碉樓據馬爾康縣城15公里。直波村現有兩座完好的碉樓,經過測量一號整體垂 直度偏差為2.318,碉樓高度43m,外表呈八角形,即底層對角直徑為8,頂部對角直徑為5.3米。由下往上錐體狀。由砌石和黃泥砌筑而成。碉樓內部分13層,每層有圓木伸入墻內。上鋪墊木板 ,底層全封閉,二層設門出入,由木梯上下,碉樓修建于清朝乾隆年間,距今300多年,半個世紀共經歷了3次大地震,包括1933年疊溪75級大地震,1976年松潘7.2級大地震以及瀏川5.12特大地震,震而不倒,斜而不倒。這不能不說是個奇跡,按照我們國家的行業標準30-60年的建筑,其垂直度偏差不能超過10毫米,碉樓斜了2.3米多。

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汶川大地震中許多百年的古碉和村寨民房未遭太大的破壞,起碼沒倒,而那些近年來建造的仿古建筑,仿古碉樓在5.12大地震中卻大多經不起考驗而倒塌了。比如5.12地震前恢復仿造的桃坪羌寨,剛落成的新寨,倒塌一片,碉樓削去了頂部,90%出現了問題。而在舊寨,雖然也有倒塌和開裂。但整體受損好于新寨,50%的建筑還能使用。老寨子里3座碉樓,其中一座是新修的,新修的倒了,上百年的老碉樓只是頂部受損。相距不遠的43米高的直波碉樓在5.12地震居然沒震掉一塊石頭。所以老百姓說假古董倒了,真古董沒倒。古碉樓與仿碉樓為什么會有這樣鮮明的對比?假古董為什么這樣不經用?古代藏羌工匠到底用的什么高招呢?特別是直波碉樓創造了震而不倒,斜而不倒的奇跡。由于特別感興趣,我和我的伙伴到當地實查,深入了解與分析。在這里我談談我們的看法:前面談的山西應縣木塔和河北薊縣獨樂寺觀音閣是木結構建筑,其消能減震的功能是被專家認可的,看大量的文獻可以查出。但碉樓是石塊黃泥砌筑,石塊和黃泥產生消能阻尼的作用嗎?我冒然的說,是的。也許一些專家會認為我的這個所謂定論過于牽強,只是停留在表面觀察階段,沒有深入的進行結構分折,但我以為科學研究也可以通過現象看本質,我提出來,希望科研院校的教授們共同來研討,我想以下的幾點說明我的看法。

(1)首先是整體的布局和形態,八角形,中國人常說四平八穩,所以碉樓多為八個角和四個角,八角形成準體狀, 下大上小,逐漸收縮,墻厚95公分。結構平面、立面布置規則對稱,構件分配力均勻,即承載力、剛度、質量也就分布對稱、均勻,減小了地震作用下的扭轉反應。這樣形態本身就有一定的穩定作用。下大上小,就好像一個人叉開腳一樣,不太容易推倒,中國人打太極拳,過程基本上是叉開的馬步,你并上腳試試,一推就倒。八個角伸向了八個方向很好的契合了建筑學上的力學原理。當地震來的時候,無論從哪個方向,總有一兩個角最先接應。同時分配到相鄰的三角中,這時已經消耗了一定的能量,所以說凸角處有較大的裂紋,未傳到內壁。

(2)仿古建筑及假古董與傳統古建筑的樓板最大的區別是,假古董多采用現澆板或預制板,這種混凝土板用在仿古建筑上,特別是用在砌石體上是極大的錯誤剛性大的現澆板和預制松缺少韌性,平面剛度的突然變化更容易塌毀,我們從桃坪新村仿古建筑上看到了這點,現代建筑的破壞也能說明這。這種剛度差異太大的水平破壞在災區震害中非常普遍。而古建筑的碉樓樓板是采用圓木作為輔助承重體插入墻體內,上鋪木板,然后鋪上黃泥,黃泥黃總摻入糯米漿,又輕、又有韌性,充分體現了”以柔克剛”消能減震的機理。

(3)砌石體由當地盛產的頁巖片石和當地黃泥組成,砌石毛料-般為15-30公分厚, 20-40公分寬,其他插入大小不等的石塊,沒有圓形石和鵝卵石,基本上來多大石頭就用多大石料,下層稍大是考慮垂直搬運原因。毛料-般選擇至少有兩個平面,以便外表整齊平整和美觀,其他面在砌石時敲打成適宜形狀。每塊砌石的間都采用錯縫搭接。由于石料的不規則,砌石與砌石間用黃泥筑成,并填滿石塊。敲打石塊使黃泥充滿砌石間隙成為一體。每層砌石都在同一水平面上,一層疊一層,一層壓一層。保證了碉樓內、外形的美觀,同時也減小了砌石間復雜應力狀態。碉樓分為官碉和民碉,官碉必須由當地技術高超的工匠施工,先砌棱角和墻角,其垂直度和內收完全靠工匠的眼力。從殘墻剖面看到砌石體已融為一個整體。
    (4)黃泥的制作工序非??季?。根據當地一位叫斯達頭的藏族老人及當地匠人講述,在原地選擇沒有巖石露頭的坡地,將表面的一層土鏟除,露出第二層新土,看土質是純土還是摻雜了一些小石塊等雜物的土。盡量選擇無雜物的土,把較大塊的土敲打成均勻的細土,經過竹篩,篩去沙粒和雜物,加山水反復攪拌。當用量大時,用牛反復在泥土上踩拌,水不宜過多,攪拌成基本沒有流動性的泥漿即可。達到黏而不散、粉而不沙的效果,將攪拌完成的泥漿用雨布蓋上,并用棉布之類的覆蓋嚴實,冬天堆放2天,夏天堆放1天即可。也有人說泥漿里要加入青稞麥稈,也有人說不加。但居民房和碉樓墻內必須加入2寸左右的青稞麥稈以增加抗震性能。我們采用了日本S-4800場發射掃描電子顯微鏡、牛津能譜儀進行測量分析表明, C元素和O元素達到90%以上,也就是說出現了生物菌絲體。原土特性通過特殊的制作過程達到了發酵的作用。其生物菌絲體又具有一定的韌度和柔性,在放大5萬倍時達到納米級微細并滲入砌石體內,尤如樹根牢牢抓入,從而在相對運動時,不易脫開,這和斗拱、榫卯的原理只一致的。

(5)基本施工工序.據說,每砌一層要停工一年以上,甚至更長。待下層充分粘合、沉降后才能繼續往上修。隔年后這種經過時間和各種自然外力的考驗,觀察其沒有開裂,沒有石塊滑落,沒有松動現象才能算合格才能繼續往上修??磥肀痊F在質檢站驗收嚴格的多,現在恨不得一天修一層。據說,村上生了男孩子才修一層,第二年如果沒生就不修了,直到村上再生男孩子。說是修之前,要在地下挖個坑,埋入鐵塊,修好后挖出鐵塊,鑄成刀劍,佩戴在男孩身上,刀槍不入,戰無不勝。雖然無法考證這些傳說,但至少說明不是一兩年能修成的。古代工匠也許不懂說明沉降道理,但民族的這種風俗卻達到了這樣的作用。我發現所有的古代建筑,上百年以上現存的建筑,都沒有一氣呵成的。比薩斜塔修了很多年,從動工到現在這個樣子,整整修了230年。不可想象,當修到第三層時發現斜了,不敢修了。過了幾年幾十年,發現完好無損,再修-層又不敢修了。過了幾年幾十年沒事,又往上修。直到第七層不敢修了, 有人說,再修一層,這一層往傾斜的反方向修,就成了現在這個樣子。山西應縣木塔修了139年,河北薊縣獨樂寺觀音閣也修了十多年,我不是說現在我們必須修好長時間,那還怎么體現動績?我們現在有很多力方法能快好省的解決,比如測量技術、地勘技術、加固技術等,古代沒這些技術,但能到達這樣的效果,我們從中也能悟到其中的道理?,F在一些工程,特別是些市政工程和些大形工程為了迎合領導的面子和心愿或者要趕一個什么會要開,不顧實際情況,說什么時候交工就必須什么時候,本來年才能完成的工程非讓你半年完成不可,有的甚至是違反基本原則,特別是一些加固工程。比如加層等載荷增加的加固,必須是加固后才能往上施工,不等你加固他就往上加層,這好像是飯都沒吃飽就讓你舉重一樣。到底是上級領導重要還是質量重要,到底是開會重要還是命重要?真的應該反思了!這些工程就像我說的四條腿的桌子去悼了一條腿 ,現在看來沒事,旦受到地震等外力作用必然出大事 !到時候后悔是來不急的。之所以這么說是因為這種情況在建筑領域太多的發生。

古人給我們留下的不僅僅是鬼斧神工、精妙絕倫的建筑藝術,也給我們留下了博大精深的抗震防災思想精髓為后人提供了思考和研究的課題。


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