侗族独柱鼓楼构造特征及模态分析

蒲爽　樊浪波　黄川腾　马清

摘  要：侗族鼓楼是侗民族木构建筑营造技艺的代表，独柱鼓楼是其典型结构形式之一。为了探究侗族独柱鼓楼构造特征及动力特性，该文以述洞鼓楼为研究对象，基于实地调研数据，分析了平面选型、建筑构造特征和抗震构造特征;运用SAP2000软件建立独柱鼓楼三维有限元模型，完成模态分析，揭示了独柱鼓楼动力特性。该文所述实测数据、构造特征、建模技术有助于从建筑结构方面对鼓楼进行研究。

关键词：侗族;述洞鼓楼;构造;模态分析;SAP2000

中图分类号：TU366.2       文献标志码：A

0 引言

侗民族分布于我国贵州、湖南、广西、湖北以及广东地区，人口总数近300万。侗族人民善于建筑，侗族木构建筑营造技艺已经列入第一批国家级非物质文化遗产名录，鼓楼是侗族建筑中的符号样本，也被视为侗族木构建筑的集大成者。

目前对于侗族鼓楼的研究主要集中在3个方面。1）文化符号[1-2]，主要探讨鼓楼的社会意义和文化内涵。2）营造技艺和建筑美学[3-4]，侧重研究木作构造和几何美学。3）数理逻辑[5-6]，倾向分析鼓楼构造中呈现的数学概念及数学思想。但是针对侗族鼓楼在建筑结构尤其是工程力学方面的研究较少。独柱鼓楼是最具代表性的侗族鼓楼形式之一，该文以述洞鼓楼为研究对象，分析独柱鼓楼平面选型和构造做法;通过SAP2000软件建立三维有限元模型，探讨了榫卯节点建模方法，完成了模态分析工作。

1 述洞鼓楼构造特征

1.1 建筑构造特征

鼓楼底部为多边形，多为四边形和八边形，楼顶是多角形状，鼓楼层数通常为奇数。现有鼓楼分类方法中，较具有代表性的是蔡凌[7]根据大木作结构体系和屋面构造做法的角度，对侗族鼓楼的结构技术类型进行了分类研究，将鼓楼分为抬梁穿斗混合式与穿斗式两大类，如图1所示。穿斗式鼓楼是纯粹穿斗式的木构架结构，所有的檩都由柱承托重量，柱与柱之间用穿枋连接，顶部屋架则由檩条、枋和斗枋联系成一整体。这种类型的鼓楼又可根据其屋面的结构体系和受力特点分为“中心柱型”和“非中心柱型”。“中心柱型”鼓楼平面为正多边形，依据其中心柱贯穿情况又分为独柱鼓楼图2（a）～图2（c）及“回”型鼓楼图2（d）～图2（f）。其中独柱鼓楼在其结构中心有贯穿的中心柱，回型鼓楼下部中心无柱仅在结构中上部位有雷公柱（源于汉族建筑，是处于攒尖建筑顶部的悬空柱，是古代建筑主要的避雷装置）。

独柱鼓楼以述洞鼓楼建造最早，也最为典型。述洞鼓楼建于明崇祯九年（1636年），是贵州省黎平县内仅有的一座完整保留的独柱鼓楼。如图3所示，四檐阁鼓楼共5层，高约15.8 m，除首层有撑柱供伸展和装修外，整座鼓楼以中心金柱贯通上下，作为主要承重构件。从外观看，述洞鼓楼由下往上逐层向内缩小，构成上下檐层叠形状;从楼内观看，以中柱为正中心，直径不同的出水枋和角挑枋纵横交织于中柱，连成整体，第一层枋作第二层瓜柱的支撑，按照这样的构造形式反复至第六层。整座鼓楼构件之间均以榫卯连接。表1为述洞鼓楼核心构件实测尺寸。

1.2 抗震构造特征

1.2.1 柱与柱础石的连接

根据实地考察，如图4所示，侗族鼓楼柱与柱础石的连接方式均为平摆浮搁，上部主体木结构与下部基础并非理想刚接，柱础石提供水平方向的摩擦力和竖向支撑，柱根不传递弯矩。这样的连接方式既可以发生有条件下的适量滑动位移，又可以发生转动。在水平地震作用下，柱端与柱础石的相对位移既能滑动耗能又能减小结构整体刚度、增加结构周期从而减小地震作用，起到了隔震效果。

1.2.2 木构架及榫卯连接

侗族鼓楼采用木构架承重，独柱鼓楼木构架主要由中心柱和檐柱承重。如图3所示，所有的梁柱构件均采用榫卯连接，榫卯节点相当于半刚性节点，其变形介于理想刚接点与理想铰节点之间。地震作用下半刚性连接方式能够通过汇交于节点的杆件之间的滑动、摩擦、挤压来耗能，又能通过减小结构刚度增加周期达到减小地震作用的效果，对抗震较为有利。

1.2.3 屋架体系

屋架体系本身是指木结构建筑的屋顶部分，在该文所指的独柱鼓楼中相当于鼓楼塔顶（如图5所示），塔顶与主体木结构主要采用斗拱结构、孔隔交错及榫卯连接，这样的连接方式起到建筑物刚性协调的作用，遇有地震作用时，消耗地震能量，使地震在楼身的作用大为降低，起到抗震效果。

2 独柱鼓楼有限元模型

选用云杉建模，根据《木材学》常用木材性质，fu順=40.8MPa，ft顺=96.2MPa，密度为0.005 g/mm3，泊松比取为0.2。参考文献[8]的做法，榫卯半刚性采用线对象端部释放实现;采用自定义法定义塑性铰，梁铰为P-M3型，柱铰为P-M2-M3型。针对柱与柱础石的实际连接情况，该文分别建立了柱脚刚接和铰接模型，如图6所示。独柱鼓楼模态分析结果见表2（仅展示前三阶振型结果）。

3 结语

鼓楼兼具民族文化价值、大木作营造价值及美学价值，该文针对独柱鼓楼，以述洞鼓楼为对象进行了建筑构造、抗震构造和模态分析方面的初步探讨。结构分析的前提是对结构构件的精确测量，榫卯连接的模拟方法也直接影响了模拟精度，但是由于鼓楼类型繁多、细部做法复杂，且具有不规则地的表面，对鼓楼结构进行精细化建模还有待与广大科研人员一起做进一步深入研究。

参考文献

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[3]张和平，罗永超，姚仁海. 侗族鼓楼结构及其建造技艺研究[J]. 中国科技史杂志， 2012， 33（2）： 190-203.

[4]蔡凌， 邓毅. 侗族鼓楼的结构技术类型及其地理分布格局[J]. 建筑科学， 2009， 25（4）： 20-25.

[5]罗永超. 鼓楼人类文明“童年时期”数学文化的结晶[J]. 数学通报， 2007（11）： 9-11.

[6]张和平， 罗永超， 肖绍菊. 研究性学习与原生态民族文化资源开发实践研究——以黔东南苗族服饰和侗族鼓楼蕴涵数学文化为例[J]. 数学教育学报， 2009， 18（6）： 70-73.

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