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廣西抗震結(jié)構(gòu)加固:破解古建筑的抗震“密碼”
作者:nbczmf.cn,復(fù)合碳纖維加固  來源:廣西專業(yè)抗震加固有限責(zé)任公司  發(fā)表時間:2023/3/22 10:30:58  點擊:1358

   一、以柔克剛:與西方石制建筑相比,中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑是“柔軟”的——木材易獲取,構(gòu)建過程相對便捷,但可能面臨著腐爛、蟲蛀、斷裂等風(fēng)險。然而,看似脆弱的木結(jié)構(gòu)建筑卻成為了中國傳統(tǒng)建筑的主流形式,在長久的實踐與災(zāi)害面前更是留下了“墻倒屋不塌”的諺語。倘若將西方古典建筑譽為石頭的史書,那中國傳統(tǒng)建筑就堪稱木頭的史詩。應(yīng)縣木塔就是“史詩”中濃墨重彩的一筆。該木塔也被稱為“釋迦塔”,建于公元1056年,位于大同盆地地震帶中。據(jù)考證,在建成后近千年的歲月里,木塔屢遭強震襲擊,如在《應(yīng)縣志》中記載:“元大德九年四月己酉,大同路地震,有聲如雷,壞廬舍五千八百”;“元順帝時,地大震七日,塔旁舍宇,盡皆傾頹,惟塔屹然不動!苯詠,邢臺、唐山、大同等地又接連發(fā)生過數(shù)次地震,木塔塔身一度大幅度擺動,最長持續(xù)時間達(dá)一分鐘以上。地震過后,木塔總是安然無恙。

   地震發(fā)生時會產(chǎn)生縱波與橫波。縱波如同海面波浪起伏,能量上下傳遞;橫波如同水中漣漪散開,能量水平傳遞。應(yīng)對地震縱波,木結(jié)構(gòu)建筑總能“以柔克剛”,其特點在于:與墻體和石拱承重的西方建筑不同,中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑以木構(gòu)架來承受立面及屋頂?shù)暮奢d,因此,常見的磚石立面大多并不直接承重,只起到圍蔽、分隔和穩(wěn)定立柱作用。作為木結(jié)構(gòu)建筑的代表,應(yīng)縣木塔近70米高的塔身均由一層層木結(jié)構(gòu)樓閣式建筑組成。木構(gòu)件的柔韌性強,在地震來臨時,受到外力影響,就會產(chǎn)生形變,也在一定程度上具有恢復(fù)形變的能力。如靠近震中的地區(qū),主要受縱波影響,地震強度較小,那么在反復(fù)小幅度“形變、復(fù)位”的過程中,一部分地震波作用于建筑上的能量就被抵消了。

   當(dāng)?shù)卣饛姸忍岣邥r,塔內(nèi)密布的“斗拱”就要開始介入抗震了。斗拱是中國傳統(tǒng)建筑特有的一種結(jié)構(gòu)——在立柱頂、額枋和檐檁等構(gòu)架間,從枋上探出的一層層弓形承重結(jié)構(gòu)為拱,拱與拱之間墊的方形木塊為斗,合稱斗拱。斗拱位于柱與梁之間,由屋頂和上層構(gòu)架傳導(dǎo)下來的荷載,要通過斗拱傳遞給柱,再由柱傳遞到建筑的地基。因此,斗拱起著承上啟下的作用。木塔通體結(jié)構(gòu)不用一釘一鉚,完全由大量斗拱和柱梁鑲嵌、穿插、吻合連接而成。據(jù)記載,塔身共使用54種、240組不同形式的斗拱連接立柱與橫梁。這些斗拱交錯疊加,形成了“上大下小”的“支架”,每一層斗拱都可以有效傳遞負(fù)荷,同時,這種不用釘鉚連接的榫卯結(jié)構(gòu)在接合處留有縫隙,遇到強震時,縫隙會預(yù)留構(gòu)件形變的空間,讓構(gòu)件松動,但不會散架或折斷,從而進(jìn)一步消耗地震產(chǎn)生的能量。

   從高層到低層,斗拱結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜,傳遞負(fù)荷的能力逐層加強。地震過程中,受縱波影響,木塔開始上下晃動。在斗拱和其他木構(gòu)件自身形變作用下,巨大的木塔如同在一次次看不見的“波浪”上“彈跳”起來,有效避免了巨大的垂直能量瞬間貫穿塔身。

    二、剛?cè)岵?相比起縱波,橫波會導(dǎo)致建筑水平晃動。當(dāng)建筑的自震周期與地震波的周期一樣時便引發(fā)了共振,此時地震對建筑的危害將達(dá)到最大。為了應(yīng)對橫波沖擊,除了斗拱,木塔內(nèi)外還遍布著各種橫向的交錯木柱,這種木柱呈現(xiàn)出“筒”狀,被稱為槽柱網(wǎng),將木塔中央的墻體“套”在里面。木塔內(nèi)外共有兩層槽柱網(wǎng),與斗拱、梁枋等構(gòu)件組成結(jié)構(gòu)層中的“減震彈簧”,不僅有效承重、強化塔體,還能在地震中通過橫向摩擦與錯位,消除地震橫波帶來的能量——無論塔體向哪個方向移動,槽柱網(wǎng)都會把它向反方向“拉”,這也是在連續(xù)橫波襲來時木塔可以持續(xù)晃動但不會向某一方向完全傾斜的原因。對抗橫波,僅僅依靠木構(gòu)件形變的“柔性”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。于是,每層都配備了厚實的墻體,它們牢牢“抱”住木構(gòu)件,發(fā)揮了“剪力墻”的作用,也增強了每層構(gòu)架的整體性,同時充分體現(xiàn)了木塔的“剛性”。每遇到大地震,就是木塔抗震“剛?cè)嵯酀钡臅r刻。當(dāng)?shù)卣鹂v波與橫波所帶來的能量被有效抵消后,地震對塔體的損害也就大大降低了。

    三、固本浚源:對于高聳的建筑物,地基如同站立在地上的“腳”。地基穩(wěn)固,建筑主體才能長久屹立。作為一項古代“超級工程”,應(yīng)縣木塔擁有以石料砌成的巨大塔基,在塔基之上,還構(gòu)筑了更加復(fù)雜的臺基。臺基又被稱為“須彌座”,得名于佛教中的“須彌山”,是建筑下方用磚石砌成的平臺,作為建筑的底座。應(yīng)縣木塔塔底臺基為雙層磚石結(jié)構(gòu),第一層為矩形大臺基,第二層為貼合木塔整體外形的正八邊形小臺基。兩層臺基重疊,將幾千噸重的木塔從地面上“抬”了起來。當(dāng)?shù)卣饋砼R時,臺基就成為了一個“浮筏”,將斗拱、槽柱網(wǎng)、立柱和墻體傳導(dǎo)下來的能量疏導(dǎo)至地面,載著建筑“漂浮”在地震波形成的“驚濤駭浪”中。同時依靠深埋于地下的地基支撐,讓木塔雖處地震帶,卻能在一次次地震中化險為夷!扒竽局L者,必固其根本;欲流之遠(yuǎn)者,必浚其泉源”。從應(yīng)縣木塔的種種抗震措施中,我們可以看到如今許多防震技術(shù)的影子——框架結(jié)構(gòu)之于榫卯,混凝土剪力墻中鋼筋之于槽柱網(wǎng),現(xiàn)代高層建筑普遍應(yīng)用的“內(nèi)外筒體加水平桁架”之于槽柱、斗拱和梁枋組成的塔體“套筒”……自然災(zāi)害可以促使建筑技術(shù)革新,人類文明總是在一次次技術(shù)的突破中前進(jìn)。

    有些保留至今的古建筑卻似乎擁有獨特的抗震“密碼”。它們屹立在千百年歲月中,見證和記錄著歷史,不僅讓今天的人們可以一睹古代建筑藝術(shù)瑰寶,也為現(xiàn)代建筑抗震技術(shù)的發(fā)展和完善提供參考和借鑒。
   
    為何中國古人偏愛木結(jié)構(gòu)建筑?

    究其原因,或許我們可以在明代造園學(xué)家計成的著作《園冶》中得到啟示!秷@冶》中記述了這樣的觀點:人和物的壽命是不相稱的,物可以傳至千年,人生卻不過百歲。我們所創(chuàng)造的環(huán)境應(yīng)該和預(yù)計自己可使用的年限相適應(yīng)便足夠了。其本質(zhì)正是在于,讓建筑服務(wù)于人。于是,在沒有現(xiàn)代建造技術(shù)的古代,當(dāng)西方建筑史以神廟、教堂為中心,打造石頭建筑以期望實現(xiàn)“不朽”時,大批符合社會生產(chǎn)力水平的木結(jié)構(gòu)“臨時”建筑在中國的土地上拔地而起,壯大城市、便利人民,直到把這種建筑藝術(shù)推向輝煌。
   

    所謂古建筑的抗震“密碼”,并不在于斗拱、榫卯的“以柔克剛”,也不在于槽柱網(wǎng)與墻體配合下的“剛?cè)岵,而是我們的祖先在?gòu)建它們時多了一分對使用者的擔(dān)憂,也多了一分對自然的敬畏。

 

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