浅析中国古建筑抗震设计

关晓迪

摘 要：中国很多古建筑，历经多次地震，依然屹立不倒。本文主要从斗栱、大屋顶和柱架构造方面浅析古代木结构的抗震设计理念和设计细节。以柔克刚是古代木结构抗震的基本理念，榫卯连接、柱底浮搁等细节都是这一理念的完美体现。

关键词：斗拱；榫卯连接；大屋顶；侧脚；生起

中图分类号： TU8 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-99-2

汶川地震中，有一个现象引起了很多学者的关注，那就是许多现代建筑在地震作用下变成了废墟，而有些古建筑却只是外墙坍塌，主体结构并未倒塌，此种现象促使更多人关注中国古建筑的抗震性能。事实上，中国古建筑的抗震性能，已经通过大量屹立千年的建筑得到充分证明，如山西五台县佛光寺大殿，始建于公元857年；天津蓟县独乐寺观音阁，

建于公元984年；山西应县木塔，始建于公元1056年，福

州华林寺，建于公元964年，河南嵩山少林寺初祖庵大殿，

建于公元1125年，还有很多不知名的古建筑，他们都有几

百甚至上千年的历史，经历过无数次地震，却依然屹立。我们不禁要问：是怎样的科学构造，让中国古建筑能够做到“墙倒屋不塌？”能够历经千年，依然屹立？本文就来简析这一问题。

木材本身就有很好的延性，这对于抗震十分有利，但本文从结构受力的角度，分析古代木结构的抗震设计，主要从最具中国古建筑特色的斗栱、大屋顶，以及柱架三方面分别介绍，首先介绍斗栱的抗震设计。

斗栱出现的年代很早，从汉代出土的明器上即可以看到早期斗栱的样式，到唐宋时期，这种斗栱的形制已经发展得很成熟了，宋代的《营造法式》将斗栱称为“铺作”，而《工程做法则例》中则成为“斗科”，这些都可以统称为“斗栱”，其中的“铺作”或“科”，实际上就是指一组斗栱，。

所谓斗栱，是指建筑物屋盖与柱架之间的过渡部分。斗是斗形，类似于方形垫块，它的抗压性很强，位于斗栱的下部；栱是弓形的短木，斗的上面放置栱，栱是弓形的短木，起支撑作用，栱架在斗上，向外挑出，栱端之上再安斗，这样一层一层纵横交错叠加放置，形成上大下小的托架，连接斗栱的还有昂、华栱、枋、散头、耍头等诸多部件，一组斗栱，就是由这许多精妙绝伦的构件穿插而成的，最终形成一个完整的组合构件。最少的斗栱是由3个构件组成，最多的共有64个构件，各个构件之间的接触面光滑，当受到较大荷载时都会发生微小滑移，且相对混凝土等材料，木材的各种材料强度偏低，尤其在横纹方向，木材的强度很低，在一定的荷载作用下，材料就会屈服而出现塑性。所以，整个斗栱结构具有减震耗能的作用。

斗栱除了以上抗震性能外，斗栱中各构件的连接，以及整个建筑的连接均采用古建筑独有的榫卯连接。

所谓榫卯，榫是指连接中的凸出部分，也可叫榫眼，卯是指凹进部分，也可叫卯头，古建筑中，构件与构件之间几乎都是利用榫卯连接，结合在一起的。榫卯的作用在于使千百件独立、松散的构件，紧密结合成一个符合设计要求和使用要求的具有承受各种荷载能力的完整的结构体，榫卯的形式很多，但总的特点是榫头与卯眼两构件结合时，越压越紧，越

拉越松，若遇地震时，榫卯的这种结合，使得建筑物的主要

部件，往往只晃动一下，随后又能恢复到原来位置，从而起

到抗震作用。今天我们在做结构设计的时候，一些高层建

筑，柱与梁之间要有一个阻尼装置，这个装置就类似于古代的斗栱，斗栱就是利用榫卯将各个小构件组合成一个大构件，那么这个斗栱的榫卯，就可以在地震来的时候，通过榫卯的错动吸收地震能量，现在所加的阻尼装置，也起到了这种作用。

古代木结构建筑中，极具中国古建筑特色的部分，除了斗栱，还有一个即为大屋顶，有人将这种优美的屋顶造型称之为“中国建筑之冠冕”，巨大的体量和柔和的曲线，使大屋顶成为中国建筑中最突出的形象。看似简单的直线和曲线，经过巧妙的组合形成向上微翘的飞檐，构成了稳重协调的大屋顶，房屋的面积越大，屋顶则越高大，这种屋顶不但体型硕大，而且还是曲面形的，屋顶四面的屋檐也是两头高于中间，整个屋檐形成一条曲线，不仅受力比直坡面均匀，而且易于屋面合理的排送雨雪，这是中国建筑所特有的。古代文人将它们形容成“如鸟斯革，如翚斯飞”，如翚鸟展翅高飞，硕大的屋顶变得轻巧，这是古代匠人的一种创造，经过长期的实践，创造了几种基本的屋顶形式，分别为：硬山、悬山、庑殿顶，以及歇山，硬山是指两面坡，两边的屋檐不出挑，北京

的四合院多为硬山顶，悬山也是两面坡，与硬山顶的区别

在于两面屋檐出挑，庑殿顶则是四面坡，而歇山屋顶就是指在庑殿顶的基础上两面各切两刀。其中，最为隆重的是庑殿顶，歇山顶次之，而后为悬山顶，最后为硬山。在逐渐的演化过程中，屋顶形式也形成一种等级。这与封建王朝的思想相吻合。

大屋顶除具有美丽的曲线和封建王朝的象征意义外，它对于抗震也是十分有利的。与房屋内部的结构相比，上部屋顶的重量要远远大于下部木构架的重量，这不仅能够提高屋顶的整体刚度，同时也形成了下部柱架的良好约束，大大提高了木结构的整体性和稳定性，这就起到了良好的抗震作用，但同时我们也要注意到，地震作用是根据刚度分配的，屋顶的刚度大，则会吸收更多的地震力，从这方面看，大屋顶是不利于抗震的，但是，也正是因为大屋顶的重量大，刚度大，才为各个木构件之间的榫卯连接提供了足够的摩擦力，这些摩擦力对于提高梁柱之间的整体性能，以及对于整体房屋的稳定性是十分重要的。因此，大屋顶对于中国古建筑木结构的抗震起着重要作用。

古代木结构中柱架设计虽不像大屋顶和斗栱那样引人注目，但他们对于抗震的作用却是不可小觑的。首先介绍的柱础，古代木结构的大多采用明础，即将木柱立于础石上，柱底与础石之间可以相互错动，亦可成为“柱底浮搁”，此种设计不但可以保护有效保护柱根不受腐蚀，还可以使柱根在地震力作用下，产生位移，通过这种不传递弯矩的方法，可以有效的消耗地震力，保护上部结构，很多古建筑在经历过地震后，柱脚都会产生滑移，但整体结构依然安然无恙。柱脚浮搁最有利的证明就是“大士阁”，大士阁又名四牌楼，位于广西北海合浦县城东南85公里的山口镇永安村内。它是中国距离大海最近的古建筑之一。此建筑最奇妙的设计在于，支撑整体建筑的36根圆柱均支撑在入土10厘米的柱础上，而柱础下部并没有设置任何人造基础。这在现代设计中，几乎是不可能完成的。数百年来，据史书记载，该地区经历过多次地震，由于紧邻大海，风暴袭击更是不计其数，但大士阁却依然屹立在海边，这给了后来的抗震设计很多新思路，也因此将大士阁又称为“抗震阁”。

除了木柱的根部有如此独特的设计外，侧脚和生起也是古代木结构抗震的又一利器。所谓侧脚，就是立柱之前将柱底面做成小斜面，木柱立起后，则令柱头微微向内收进，侧脚则是微微向外，此时，柱架的外立面是成正“八”字。柱顶的荷载重量会使柱头间保持自动向内挤紧，使得上部部分榫卯从一开始就具有抗张角刚度。在有扰动时，即便有部分的榫头被拔出，当外力消失后，预先向内倾斜的柱头压重会自动将卯口推回，恢复挤紧。这也是榫卯连接不可替代的优势。侧脚的设计使得结构产生的恢复力总是指向结构再地震前的静止位置，而方向总是和柱架振动侧移方向相反，这是十分合理的，这样的设计使得作用于结构的能量一定要先克服重力沿纵轴倾斜方向分力做功，这样的设计对于减震耗能是十分有效的。“侧脚”的设计有效的防止了榫卯脱节，同时也具有良好的减震功效。柱架的设计中，还有一个别具匠心的设计，即为“生起”，“生起”是指檐柱由中心向两侧依次增加柱高。生起的柱架使屋顶处于上凹的“皿”中，这样的设计能够降低结构重心，对于抗震同样是有利的。

中国古建筑，历经无数次地震，至今依然屹立，这给后人的抗震设计留下了太多的启示，以柔克刚的斗栱，预设斜面的侧脚，增大摩擦的大屋顶，都是古代匠人顺应自然，合理利用力学规律的完美体现，抗震设计，早已抛弃“硬碰硬”的设计理念，如何消能减震，如何释放能量才是研究的重点，从古代木结构建筑的设计中，我们找到了很好的答案。

参 考 文 献

[1] 张丹.斗拱艺术与结构机能演变历史的研究[D].东北林业大学，2005.

[2] 罗勇.古建木结构建筑榫卯及构架力学性能与抗震研究[D].西安建筑科技大学，2006.

[3] 姚侃.木结构古建筑的结构特性及抗震性能研究[D].西安建筑科技大学，2007.