紫禁城何以在222次地震中安然无恙

自1420年至今，北京发生了大大小小的地震222次，紫禁城均安然无恙。这其中的秘密是什么？周乾指着大殿檐柱根部的一块不起眼的石头说：“柱顶石是古代中国建筑装饰艺术的一个缩影，关键时刻具有四两拨千斤的效果。”

2021年11月3日，人民大会堂举行了隆重的表彰大会，2020年度国家科学技术进步奖揭晓。在获奖单位名单中，故宫博物院位列其中。据了解，不仅故宫博物院，整个文博行业都是首次获此殊荣。为故宫博物院捧回这个大奖的，是故宫学研究所研究馆员周乾博士。那么，600多岁的紫禁城是如何和科技进步联系起来的呢？科技大奖背后的紫禁城又有怎样的秘密？

为故宫牵缘科技大奖

荣获国家科技进步一等奖的《中国城镇建筑遗产多尺度保护理论、关键技术及应用》项目，是我国建筑学领域首次获国家科技进步奖一等奖。

故宫博物院得以参与这个项目，主要是科学评估了中国明清官式木构古建筑的抗震机制，提出了榫卯节点加固的改进方法，建立了明清官式木构古建筑不同构造、节点及结構整体精细化有限元分析模型，提升了我国木结构文物的科学保护水平。

“这个大奖对故宫博物院来说是一项荣誉，是对几代故宫人科学保护古建筑的一种肯定。”周乾说，“走，咱们去太和殿现场看一下。”

在紫禁城外朝中轴线上，矗立着三座重要的建筑，由南至北分别是太和殿、中和殿、保和殿。其中，太和殿俗称金銮殿，是紫禁城内规模最大、等级最高、体量最大的建筑，也是中国现存最大的木结构宫殿建筑。这里是皇帝举行重要仪式的地方，也是见证很多重要历史时刻的地方。

初进宫遇上太和殿

“我很幸运，一进宫就遇上了太和殿。”周乾幽默地说。更幸运的是，周乾一进宫就赶上了太和殿百年大修。1697至2003年，太和殿306年从未经历过大修。“古代工匠营建、修缮建筑都是采用口传心授的方式，由师傅传给徒弟，主要凭的是经验，太和殿之前的几次修缮也是如此。这次大修，领导要求我现场勘查后进行结构力学计算，再进行安全评估，拿出修缮建议。”这段往事，周乾至今记忆犹新。

在这千载难逢的机遇中，周乾为太和殿进行了一系列“体检”，从安全角度为太和殿大修提供了重要的施工依据。2008年，历时两年的太和殿大修终于完工，周乾提出的修缮建议均被采纳。今天我们看到的太和殿，就是此次大修后的样子。“这次太和殿大修，反映了中国古建筑保护人员具备了对文物采取及时有效保护的能力和水平。”周乾自豪地说。

解码古人抗震智慧

自1420年至今，北京发生了大大小小的地震222次，紫禁城均安然无恙。这其中的秘密是什么？

中国古建筑以木结构为主，怕火但抗震性能良好。木结构古建具体是如何抗震减震的？能不能对其进行精准分析？在勘查太和殿的过程中，周乾逐渐萌生了一个大胆的想法：用现代科学解码古建秘密。

“这是柱顶石，也叫柱础。”周乾指着大殿檐柱根部的一块不起眼的石头说，“柱顶石是古代中国建筑装饰艺术的一个缩影，其主要作用就是缓冲地震。”

木制的柱子在地面很容易霉变腐败，所以垫上柱顶石，使柱子高于地面防止腐变。仔细看，柱子并不是插进柱顶石中，而是平摆浮放在柱顶石上的，立柱与柱顶石并不存在拉接关系，柱顶石顶面面积大于木柱截面面积。在发生地震时，柱子根部反复在柱顶石表面滑动，地震结束后可基本恢复到初始状态，缓冲了地震的破坏作用，具有四两拨千斤的效果。

紫禁城的营建颇像搭积木，这种“搭建”的营建方式充分体现了中国传统木作的精巧和科学。

据了解，紫禁城的宫殿多为庑殿顶和歇山顶，硕大的屋顶披着橙黄色的琉璃瓦，和端庄大气的红墙共同组成华丽威严的皇家色调。在黄瓦红墙之间，是青绿色的额枋以及镶着金边的斗拱。

一个个斗形和弓形的木构件环环搭扣又层层叠加，紧密而有序，尽显中国古建的繁复之美。“斗拱是集建筑力学和美学于一体的典型。”周乾说，“斗拱的力学智慧精华在于它的抗震本领。斗拱由木材制成，很容易产生变形并可以迅速恢复原状，斗拱在竖向由一层层构件叠加起来，就像一层层弹簧连起来。发生地震时，斗拱像弹簧一样反复做压缩、复原运动，不断削弱地震力。斗拱还能产生自动恢复功能，犹如不倒翁，这是因为斗拱上部体积大但构件单体截面面积小，下部体积小但构件单体截面面积大。斗拱的重心位于斗拱的下方，在水平地震力的作用下，尽管产生摇摆但不易倾覆。”

周乾指着斗拱最底层的坐斗说：“坐斗截面面积最大，增大了斗拱与其底部的接触面。斗拱这种弹簧特性，从科学的角度称为‘隔震’。”他形象地打了一个比方，“就像霍元甲接西方拳师的拳头，倒退几步，以柔克刚。”

（《北京日报》）