云南典型民居建筑的抗震性能分析及其新问题探讨

金赟赟，汪 明，2，王亚安，刘吉夫，2

（1.北京师范大学 民政部、教育部减灾与应急管理研究院，北京 100875；2.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875）

0 引言

云南地区地震频繁，地震灾害特别严重，平均每年发生216次5.0～5.9级地震，每2年发生1次6.0～6.9级地震，7～8年发生1次7 级以上地震［1］。不仅如此，云南省的农村人口比重大，且大多分布在经济比较落后、地貌环境和地质条件复杂的山区，当地民居以土－木和砖木结构为主，约占总农户数的72.24%，砖 混 和 其 它 结 构 仅 占16.78% 和10.80%［2］，这对民居结构的抗震设防提出了巨大挑战。近年来随着经济条件的改善，农村新建房屋开始普遍采用砖混或框架结构，但是留存的传统民居建筑大多年久失修，即使是一些新建的木结构房屋，在建房时多依据传统经验施工，随意性较大，土墙夯筑时很少考虑土的特性，夯实度、夯筑方法，缺乏技术支持［3］，土坯和土筑墙体往往存在安全隐患。

云南地区少数民族众多，各民族民居经历了几千年的发展，形成了自己独特的建筑风格和特色。其中土墙－木框架结构是云南民居一种非常普遍的建筑形式，它多为2 层房屋，平面上以三间组成一坊，由基础、木框架和屋顶构成其主体的受力结构，并以土墙作围护。传统民居因地制宜地运用当地常见的建筑材料，如粘土、木材、石料等。虽然木材构件的价格相对昂贵，但是云南林业资源丰富，这使得木结构房屋的大范围使用成为可能。

基于近5年来在云南省永胜、大理、丽江等地的调研，和近20年来的地震震害资料，以及针对纳西族和汉族的典型农村民居开展的大量实地考察工作，本文总结传统工艺中的抗震构造措施，分析典型震害特点，探讨云南典型民居建筑在社会变迁中出现的抗震新问题和实施抗震加固工程中的问题，提出提升区域整体抗震防灾能力的思考。

1 传统抗震措施以及震害分析

图1 典型的云南传统民居建筑

云南永胜、丽江、大理等地的民居（图1）以穿斗式木框架房屋最为典型。穿斗式构架的主要竖向承重构件是立柱，柱与柱之间两两用横梁拉结，梁柱结合用燕尾榫，墙体仅起维护作用。房屋的骨架由四榀木构架组成，两端山墙（图2a）处的两榀为山架（图2b），在中间的两榀为中间架（图2c），为便于室内空间的灵活使用皆不设中柱，多用抬梁式构架［4］。

1.1 民居建筑的传统抗震措施

众所周知，木结构房屋的抗震性能较好。从整体来看，木结构房屋的固有周期长，在坚实的地基上不容易发生共振，结构的弹性好，地震力作用变形后的恢复力大，木结构亦有良好的延展性，地震晃动下仍然可以保持结构的完整和稳定［5］。同时，木构件的连接多采用榫卯的方式，半刚性的节点能有效地耗散地震动的能量，减少地震力对建筑物的破坏［6］。云南地区的民居结构在长期抗震实践中的还出现了一些有效的构造措施以抵御地震。例如，横梁下用一根方木贯通一榀木构架内的柱子，俗称穿枋。它在横向将木构架连结成整体的构件，使柱和梁构成平面体系，同时结点挤紧，增加了梁柱结合处的刚性，从而保证木构架横向的刚度和稳定性［7］。另外一个特别构造是，柱脚用截面较大的地脚梁（又称锁脚枋，图6a）纵横固定［4］，它能够有效地约束柱脚的位移，同时与上部相应的构件组成框架系统，使得框架结构整体性更强。此外，增强抗震性能的做法还有：山墙（图2a）下方是生土墙，上方尖山墙则采用木板，下重上轻有利于抗震；墙内侧有立柱、梁等众多构件，可以抵住被震坏的墙体防止向内倒塌；木柱按百分之一的斜度将柱头往里倾斜（“见尺收分”，也称“放侧脚”）［4］，增强了整个构架的稳定。这些特点都决定了云南民居木结构房屋良好的抗震性。

图2 穿斗式构架的主要结构组成

1.2 典型震害分析

虽然木结构房屋的抗震性能较好，“墙倒屋不塌”的特点一定程度上避免了严重的人员伤亡，但是由于材料强度较低，它的总体震害相对于砖木、砖混和框架结构房屋仍要严重。云南民居结构在历史上的大地震中都受到了严重的破坏，例如：1996年2月3日丽江7.0级地震中，农村民房大面积倒塌，严重地区的倒塌率达85%；2001年10月27日永胜6.0级地震中，倒塌房屋3 400间，损坏约28万间，当地典型的民居结构形式是土－木结构，穿斗木构架［2］；2003年7月21日云南大姚县6.2级地震中，房屋倒损共27万多间，其中倒塌1万间以上［8］。基于实地搜集的震害资料，我们对典型土墙－木框架民居建筑主要的地震破坏模式作了以下总结。

（1）木框架完好而外墙倒损

在这种破坏模式下，外墙由于超过了其强度或者墙与木框架的连接不牢固而发生全面或者局部的倒塌。常见的破坏情况有以下4种：①山墙的整体倒塌（图3a）；②山尖墙的损毁（图3c）；③外纵墙的倒塌（图3b）；④外墙转角处的损坏（图3d、图3e）。生土墙在云南十分普遍，由于其结构强度低，在地震中极易损坏。即使在木构架承重体系房屋中，墙体仅起围护作用，但是它的倒塌仍然会引起人员伤亡和财产损失。特别是尖山墙部分，由于是独立悬墙，平面外抗弯刚度小，纵向振动作用下受屋盖由檩条传递的水平推力，极易发生平面外倒塌。此外，有些房屋建有很高的封火山墙，突出屋面并且通常没有采取拉结措施，地震时极易倒塌砸坏屋顶或伤人。外纵墙的震害多是楼板以上墙体外倒或者从根部倒塌。山墙和后纵墙的转角处由于集中力的存在，在地震中极易受到破坏，加之建造过程中的一些错误做法（如留下通缝），普遍发生贯穿上下的竖向裂缝或者角部墙面的剥落。

图3 地震中生土墙的破坏（图片来源：永胜县地震局、期纳镇政府、涛源乡政府）

（2）屋顶的坍塌和变形

屋顶的破坏往往表现在瓦片的脱落程度（图4a）。这主要是由于瓦片和木瓦楞的连接强度不够或者瓦片层间缺乏连接造成的。屋顶的损坏也可能是因为突出屋面的非结构构件（如封火墙、烟囱、吻兽、脊兽等）的倒塌而导致。另外，屋架被地震破坏引起屋盖变形的情况，在长宽比大的房屋中更为严重（图4b）。

图4 屋顶的破坏（图片来源：永胜县地震局、期纳镇政府）

（3）木框架的倒损

木框架房屋的局部或整体倒塌往往发生在地震烈度大的地区。穿斗木构架虽然横向较坚固，但缺乏有效的纵向支撑，地震时容易产生纵向破坏。木构架房屋的梁柱节点多采用榫卯连接，它的强度和刚度都很低，如未采取斜撑、水平撑等抗侧力措施，稍有松动即退化为铰接点，导致构架倾斜甚至倒塌［9］。此外木框架房屋的全面倒塌常发生在一些木框架没有完全安装完成的在建房屋中。由于资金和资源的限制，许多农民依据自身条件分阶段地逐步建造房屋，一些房屋的建造过程长达数年之久，这些施工中的房屋由于结构体系不完整，在地震中异常脆弱。

除了全面倒塌，常见木结构房屋的损坏还发生在一些特殊部位，例如榫卯节点、木柱的倾斜，以及柱脚滑移。穿斗式木构架的柱子在楼板层高处，横、纵向榫眼的开槽使得柱截面被削弱，易受扭破坏。横梁和楼楞的端部由于作榫，支座处梁的截面积只有原来的约30%，而此处剪力又最大，因此粱两端容易折断。部分结构的立柱柱脚与柱础无任何连接，地震中由于水平位移易发生柱脚错位甚至滑脱。这些局部的破坏在一些震后的房屋中没有得到及时有效的修缮，为日后房屋的安全留下了极大的隐患。一些年久失修的房屋中局部木构件腐朽，也是极易出现破坏的位置。

2 云南民居建筑抗震加固中问题的探讨

2.1 社会变迁中抗震的新问题

随着建筑技术、材料的不断更新和人们生活习惯的变化，云南典型民居建筑也随时代发生着改变。在实地调研中我们发现，许多新建的房屋选择了砖混结构，而那些采用传统民居形式的房屋也在工艺和建筑材料方面与老房屋有所不同。这种改变在墙体上表现得尤为明显。当今生土墙在新建房屋中已经十分少见，取而代之的是用烧结砖和砌块砌筑（图5）。在尖山墙部分，也很少如以往采用较下部墙体轻质的材料，如木板等构筑，而是用砌体填充，这些填充砖有时候甚至直接压在屋架梁上（图5a），对屋架造成了额外的荷载，对抗震极为不利，同时，由于“鞭梢效应”，尖山墙部位填充的砖块极易塌落，造成人员伤亡。

砌体墙相比生土墙有更高的结构强度，减小了墙体的厚度和重量，有利于抗震，建造效率也更高，但是，在建造中，人们往往忽略墙体和柱子的拉结，这样，在地震时墙体和木框架可能出现碰撞推挤的现象，使得墙体在地震中被破坏的可能性大大增加。特别是当内墙发生倒塌或者外墙内闪时，会对房屋内的人员和财产造成更大的伤害和损坏。

图5 新建房屋的砌体墙

另外，农村地区的房屋建造有很大的随意性，而且精通传统民居房屋建造技术的工匠越来越少，许多传统民居结构中对抗震性能起到重要作用的构造措施和方法常常被忽视或省略，例如新建房屋常常有意取消了穿枋和锁脚枋（图6）。如前文所述，穿枋能大大增加结构的刚度和整体性，而锁脚枋将柱脚牢牢固定住，防止水平地震作用引起的柱脚移位。这些构造措施的缺失，极大削弱了传统民居建筑的抗震能力。

图6 地脚（锁脚枋）被拆除

木框架的建造有时会利用老房屋的旧木料，而不是新木料，这是因为目前对林业资源的保护，或是经济条件的限制导致的。老旧的木料常会有不同程度的腐朽，即使使用了有效防腐措施，木材强度的持久性也是有限度的，时间因素对木材工作的物理力学指标有很大影响［10］，因此旧木料搭建的房屋往往更容易破坏。

2.2 实施抗震加固中的问题

2007年1月，云南省全面启动“农村民居地震安全工程”建设工作，计划用10年时间对急需抗震加固的100万农村民居分期分批进行加固改造，提高抗震防灾能力。永胜地区结合当地民风民俗、建筑风格、经济条件和《云南省农村民居地震安全工程技术导则》，编制了《永胜县农村民居地震安全工程设计方案》和《永胜县农村居民地震安全工程技术标准》。技术标准对当地不超过2层的土－木和砖木结构房屋的规划、设计、施工（新建和加固）和质量验收提供了技术支持。

（1）梁柱架节点连接的加固

如图7所示，穿斗式木构架的柱子在楼面层高处榫口横纵交错，柱截面由于开槽集中而被严重削弱，铁件的加固能够加固节点，能有效防止地震过程中梁柱节点脱开，亦增加了木构架的刚度。梁下的承托能增强梁在节点处的抗剪能力，同时防止梁柱节点脱开。但在实践中，铁件往往过于细薄，且简单用直钉固定在木构件上，而不是严格地使用螺栓连接。同时，铁件的位置选取过于随意，或是使用数量不足，这都会大大降低民居抗震加固措施的效果。

图7 梁柱节点的加固

（2）木柱脚处的锚固

铁件的一端竖直插入柱基础中，另一端固定在柱脚，并且尽量避免铁件的弯曲，否则无法起到锚固作用（图8）。实践中常出现铁件一端固定在木柱上，但另一端仅简单埋入地面，亦无固定措施，这样的做法对柱脚的加固完全起不到任何作用。

图8 柱脚的加固

（3）在屋盖房以上加纵向支撑

如图9a、图9b所示，在两端间及隔间中柱顶部加设木剪刀或木斜撑等，可以增强房屋的纵向稳定性。木穿斗结构楼屋面设置水平支撑，开间角部四根柱子之间水平方向用钢丝绳拉结，能增加房屋的抗扭能力，平面布局不规则的房屋亦可以采用。对于叠梁式的屋架结构，还采用的捆扎连接的方式（图9c、图9d）。实践中常出现的问题是连接支撑构件过于细长，本身在地震时易发生弯折，起不到支撑作用。由于施工的不规范，钢丝绳的拉结出现连续缠绕现象，而不是每根两端牢固连接木柱，这样，不仅起不到提升整体抗扭能力的作用，而且在极端情况下会出现连锁倒塌的情况。而对于屋架捆扎连接，往往是铁件简单直钉固定在木构件上，地震时易脱落。

图9 屋架的加固

3 生土墙体抗震加固的问题

目前针对老旧民居的加固方法，对木框架的加固有许多明确的加固方法，对于墙体也有很多强化抗震性能的建造方案。但是，对民居结构中已有的生土墙墙体加固一直未有经济、简便且有效的加固方法。从以往的民居震害看，墙体的破坏最为严重和普遍，虽然在木框架结构的民居中，墙体仅仅是起围护作用，但是墙体的损坏，特别是当其内闪时，房屋在地震中的危险性大大增加。生土墙本身强度低，而且在使用过程中受风和雨水的侵蚀严重。对于无木框架的生土房屋，它的墙体抗震能力与墙体直接相关。例如2003年云南大姚6.2级地震中，生土房屋和墙柱间无连接的木构架房屋在地震影响下大多数墙体开裂，震中区此类房屋基本倒塌［8］。寻求针对生土墙体结构的加固方法应当是科学研究和工程实践的重点之一，这不仅有利于对云南部分地区民建筑居文化的保护，而且相关加固技术的推广和实施将会使广大经济落后地区的居民受益，对提升区域整体的抗震防灾能力意义重大。

4 总结

本文研究了云南纳西族和汉族典型民居的抬梁式木框架结构的抗震性能，从震害分析看，典型的破坏形式有“木框架完好而外墙倒损”、“屋顶的坍塌和变形”和“木框架的倒损”3 种。当地居民长期以来总结了一些有效的构造措施以抵御地震，包括木框架的建造工艺、墙体的结构形式、墙体和木框架的关系处理等，使得当地典型民居建筑具有一定的抗震能力。然而，如今在一些新建的房屋中，“木框架－土坯墙”的基本结构形式没有变，但在工艺和建筑材料方面与老房屋有所不同，特别是墙体和木框架的建造细节上已经发生了较大变化。在新建房屋中越来越多使用烧结砖和砌块砌筑外墙，但是砖砌墙在建造时墙体与柱子的连接，以及尖山墙上简单填充的砖块常常被忽视，这成为了新建房屋地震时的巨大隐患。这些在社会变迁过程中出现的建筑抗震的新问题更应从区域整体的角度加以重视。

2007年启动的“农村民居地震安全工程”对农户房屋进行了加固改造，以提高抗震能力。这些加固措施主要针对梁柱节点、柱脚锚固、房屋整体的纵、横向刚度等方面。但是在实践中，往往出现施工的随意性，使得加固措施的效果大打折扣。综合来看，生土墙体仍是云南农村地区民居建筑抗震的薄弱环节，山墙、后纵墙和墙转角处都是容易破坏的地方。

对于那些原有的生土墙房屋，目前还缺少经济、简便和有效的措施来加固墙体，需要探索出一种廉价、能就地取材且易操作的加固技术，以便在经济落后地区推广使用，从而有效提升区域的抗震防灾能力。

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