川西北安多藏式民居的结构特点及抗震性能

2022-05-11李碧雄赵开鹏王甜恬刘慧军李梁慧

世界地震工程 2022年2期

李碧雄，赵开鹏，王甜恬，刘慧军，李梁慧

（1.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065；2.四川大学灾后重建与管理学院，四川成都 610065；3.深地科学与工程教育部重点实验室，四川成都 610065）

引言

作为三大藏区之一的安多藏区主要分布于四川、甘肃和青海三省，是一个多民族长期迁徙的“藏羌彝走廊”地区。因其独特的地理位置及历史上的多民族交融，使得安多民居既保留了藏式建筑族源上的特征，又因受周边文化影响发展出多元化的地域性特点。郭桂澜［1］从建筑的适应性角度对阿坝州安多藏区民居进行了分类，即阿坝州高原牧区、山原半农半牧区、山原农区和高山峡谷林区等四类安多藏式民居。大部分安多藏区地处地震频发地区，有必要关注其传统民居结构抗震性能，以提高该类村镇建筑的抗震安全性。

针对传统藏式民居，学者们的目光几乎都聚焦于藏民的“黑帐篷”和“碉房”，相比之下，专门针对安多藏区内藏式民居的研究文献资料为数不多，且主要从建筑学和规划的角度研究安多藏式民居［2～5］。从结构角度关注传统藏式民居的文献不多，仅有几篇文献只涉及了墙体构件或木构架节点的力学特性［6－8］，基于该类建筑的整体结构组成特点的抗震性能分析几乎无人涉猎。2017年九寨沟地震后，业界对安多藏式民居抗震表现有所提及［9－14］，一般将其笼统归为砖木结构或石木结构类，没有触及藏式民居特有的结构构造特征，对于其成灾机理缺少系统的分析。

本文以安多地区木构架藏式民居为研究对象，通过实地调研和文献分析，结合安多藏区地理分布特征以及地震动区划，从整体结构组成和构造特点、历史地震中抗震表现等角度，分析其抗震性能和抗震薄弱环节，在此基础上形成抗震设计和建造建议，以提升安多藏式民居的抗震性能，促进安多藏族文化的传承与发展，保护安多藏区藏民的生命财产安全。

1 安多藏式民居的主要结构型式及抗震表现

1.1 安多藏式民居的主要类型及地理分布

安多藏区主要分布于甘肃藏区、青海藏区和四川阿坝地区，位于藏族分布中心区的边缘地带，由于地缘关系，自古以来就与东边的汉文化和北方的阿尔泰文化联系密切，形成了独特的安多文化和建筑风貌。因安多藏区分布广泛，各处自然环境条件、生产生活模式和民居风貌等差异显著，故安多藏区通常又分为高原牧区、山原半农半牧区、山原农区和高山峡谷林区等类别［1］。各区域的传统民居建筑结构差异较大，以下逐一分析。

（1）高原牧区

该区藏民以放牧为生，逐水草而居，主要分布于青南高原西部和北部，以方便迁移的草原黑帐篷为其传统住屋。草原黑帐篷以木桩支撑，绳索牵拉，上百张牦牛皮覆盖，形成蚌壳形、四方形或尖顶圆形的牧帐［1］。牧帐以木柱传递竖向荷载，以绳索拉力抵抗水平风荷载，结构朴实，是极富民族特色的非永久性民居，如图1所示。

图1 “黑帐篷”结构示意图Fig.1 “Black Tents”structure diagram

（2）山原半农半牧区

该区主要分布于青海果洛州和黄兰州等地，靠近藏族分布中心区，民居风貌为藏区最常见的夯土或石砌平屋顶建筑，因形似碉堡，称之为“碉房”。碉房的结构组成如图2所示，以夯土墙或片石墙作为外围承重墙，与内部木构件构成竖向承重体系，是较为典型的密椽平顶式建筑。梁柱连接为“搁搭方式”，即将梁简单搁置于柱顶或通过替木、垫木搁置于柱顶，柱下端通过柱基立于楼面或地面，柱分层立放，且上下层间柱位可能错开。

图2 “碉房”结构示意图Fig.2 “Blockhouse”structure diagram

外围筒状墙体和内部木框架构成了刚柔并济的承重体系：宽厚的外墙具有较大的抗压强度和刚度［6－8］，不仅承担起民居主要的竖向荷载，更是抵御水平风荷载和地震作用的主要构件；内部的木框架在地震作用下具有较好的延性，适当的弹性变形可耗散地震作用释放的能量。

（3）山原农区和高山峡谷林区

该区主要分布于四川阿坝州和甘肃甘南州等地，如九寨沟地区，因与汉族地区接壤，民居型式受汉文化影响颇深，不同程度上借鉴了汉族木构架建筑的特点，形成了汉式木构架与藏族传统碉房混搭的独特建筑结构。根据受汉族建筑文化影响程度的不同，大致可分为以下两类结构形式。

（1）受汉文化影响相对较少的藏族民居，梁柱连接方式以传统碉房的“搁搭方式”为主，边柱与梁采用卯榫连接，且沿房屋高度贯通，最顶层采用木构架双坡屋面，如图3（a）所示。在川西北地区还能观察到如图3（b）所示的情况，顶层以“似穿斗式木构架”承重，即采用木枋穿柱，椽子搁于柱顶，但其他部分仍采用传统密椽平顶式结构，笨重的楼面荷载由主体木构架承受，可称其为“半穿斗式混合结构”。这类半穿斗式藏式建筑的夯土墙或砌体墙仅作为围护，分层砌筑。

图3 半穿斗式藏族民居结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the structure of a half-through bucket-style Tibetan house

（2）受汉文化影响较多的藏族民居，其结构型式已接近汉式穿斗木构架，如图3 所示，形成以穿斗式木构架为主、底层夯土墙为辅的承重结构体系，“半截夯土承重墙，穿斗屋架升二三层”可概述其结构特点［1］，该类房屋与南方汉式穿斗木构架最大的不同是其楼盖大都采用藏式做法，体量笨重。

上述两类以木材为主的藏式民居，主梁与柱传力较为清晰，但因楼板具有多层构造，楼层之间的传力方式颇为复杂。由于民居木材加工等局限，圆椽、限制楼板夯土层的外围构造和木墙底部的木基础等构件尺寸与主梁尺寸相差不大，从建筑外侧看楼层传力极为复杂。民居主要的竖向荷载都由木柱承担，水平荷载主要由民居中的通长柱承担。由于圆椽密布且尺寸较大、房屋开间较小，楼板刚度及自重较大，较为考验主梁及梁柱节点的承载能力。

基于实地考察和文献资料查阅，上述各类安多藏式民居在地理上的分布如图4 所示，位于四川、甘肃和青海三省交界地区，地处青藏高原东缘的横断山脉，地震频发，历史上在川西北地区发生过大大小小的地震700 余次，其中：以1933 年7.5 级叠溪地震、1976 年7.2 级松潘-平武地震、1989 年6.6 级小金地震、2008 年8.0级汶川地震和2017 年7.0 级九寨沟地震影响最为强烈。从中国地震动参数区划图可以看出：安多藏区大部分位于7度（0.15 g）及其以上抗震设防烈度地区：一方面，藏民们在遭受历次地震劫难后，民居结构构造亦在不断完善和改良，努力适应抗震需求，在历史长河中发展成今日的建筑型式，其中有对抗震有利的部分值得发扬；另一方面，随着社会经济快速发展，人类对居住安全要求越来越高，在保留其建筑风貌和文化的同时，应从结构抗震理论的角度引领其发展，提升其建造水平。

图4 穿斗式藏族民居结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of bucket-type Tibetan dwellings

综上所述，安多藏区的民居结构构造与其所在的地理位置密切相关，从图5可知：位于藏汉交接地区的山原农区和高山峡谷林区民居系藏式碉房和汉式穿斗木构架的混搭，其结构的主要特征可概括为图6所示。藏族中心区或靠近中心区的藏式民居主要由外围石砌墙或土夯墙与内部木柱共同承重，各层楼屋盖木梁通过“搁搭方式”简支于墙或木柱上，每层木柱支承于地面或楼面上，沿高度方向不贯通，这类房屋属于混合结构承重，整体性不强，内部层与层之间不连续，但外围厚重墙体会加大房屋的整体刚度。与汉族接壤的藏区藏式民居或多或少引进了穿斗木构的做法，外围护墙不参与承重或仅部分参与承重，一定程度上改善了房屋的整体性，优化了结构承重体系。

图5 安多藏式民居地理分布图Fig.5 Geographical distribution map of Amdo Tibetan dwellings

图6 山原农区和高山峡谷林区民居的结构特点Fig.6 Structural characteristics of residential houses in the mountain plains and forest areas in the mountains and valleys

1.2 历史震害表现及震害特征

2017 年九寨沟地震中当地民居遭受了不同程度的破坏，震中漳扎镇所辖区域即为传统的安多村落，九寨沟地震中安多民居的震害表现及震害特征为解析安多藏式民居的抗震性能提供了依据。

由于震中地区民居结构型式多样，震害亦各不相同，图7给出了一些典型的破坏情况，如围护墙倒塌、局部坍塌等，可以看出：非结构构件围护墙的破坏非常普遍，调查显示，因非结构构件震坏导致至少5 人遇难，该现象也应引起业界关注。

图7 九寨沟地震中民房典型震害情况Fig.7 Typical earthquake damage to private houses in the Jiuzhaigou earthquake

根据九寨沟地震后专家小组对极震区（Ⅷ和Ⅸ区）建筑物的震害调查资料［11］，统计受损建筑共计337栋，其中：木构架85栋，砖混结构110 栋，RC（钢筋混凝土）框架结构61 栋，RC 框架-砌体混合结构81 栋，受损情况见表1。表中平均震害指数反映了各类结构房屋的受损程度，指数越大，说明该类房屋具有更高的易损性。木构架房屋主要指安多藏区的藏式民居。

由表1 可知：极震区木构架民居平均震害指数明显大于框架结构，与另外两种结构大致相当。相较于另外三种结构型式，木构架毁坏率和严重破坏率均为最高，分别达5.9%和29.4%，说明有相当比例的木构架房屋的抗震能力堪忧。但也应注意到，在砖混结构和RC 框架-砌体混合结构基本完好率为零的情况下，木构架为5.9%，仅略低于RC框架结构，表明有一部分木构架房屋表现出了优良的抗震性能。

表1 九寨沟地震极震区各类房屋的震害矩阵（%）［11］Table 1 Earthquake damage matrix of various types of houses in the Jiuzhaigou earthquake extreme earthquake zone（%）

虽然木构架房屋毁坏率达5.9%，但整体垮塌的却很少［13］，震损特征主要表现为墙体等围护结构开裂、外闪或倒塌，或是屋面掉瓦，梁柱搭接处局部断榫、脱榫或移位，柱脚发生滑移等［12，14］，具有典型的“墙倒屋不塌”特点。相比之下，就主体承重结构层面而言，木构架房屋更多表现为非结构构件破坏和构件的连接处破坏［10］。

值得指出的是，2008 年汶川地震后，当地居民防震减灾意识大大提升，在政府指导下，居民开始有意识地对现有民居进行修复和加固。民居使用效果更好的水泥等胶凝材料，减少夯土墙，加固梁柱节点，增加部分抗震设防措施等，这些举措在2017年九寨沟地震中发挥了积极作用，与同震级的芦山地震相比，九寨沟灾区简易房屋整体的抗震性能较强［15］，灾害损失也相对较小。

2 结构组成特点及抗震性能分析

2.1 抗震薄弱环节分析

木框架具有较好的延性，而墙体自重和刚度较大，因此在地震作用下，民居的损伤大部分来自于墙体的破坏。同烈度下，砖混结构的墙体和框架结构的填充墙破坏程度较小，多为裂缝发育，严重时为“X”形贯穿裂缝，而藏式民居的墙体由于砌筑方式特殊和黄泥等胶凝材料强度不足等原因，多表现为墙体剥落，严重时墙体垮塌为松散堆积物。

为了揭示木构架安多藏式民居在九寨沟地震中抗震表现的内因，从结构整体组成、细部连接构造、地基基础等方面剖析其抗震薄弱环节，结构简化力学模型示意如图8所示，不利于抗震的因素可归纳为以下几点：

图8 川西北地区典型安多藏式民居的结构简化力学模型Fig.8 Simplified mechanical model of typical Amdo Tibetan dwellings in northwestern Sichuan

（1）结构承重体系混杂。木构架与砌筑墙混合承载，榫接连接与“搁搭”连接并用，传力路径不清晰，各部分的刚度不均衡，强度不匹配，地震中的抗震薄弱点易率先发生破坏而危及整体结构安全。

（2）竖向连续性差。为数较多的安多民居采用分层建造的方式，上下层之间仅靠外围承重墙或部分贯通柱来维持层间连续性，较少使用通长柱［16］。此外，由于大部分梁柱连接很少使用钉子和榫接方式，简单“搁搭”方式较多，进一步削弱了其整体性。需要指出的是：竖向分层建造也有可能给房屋抗震带来有利的一面，地震中层间错动可以吸收和耗散一部分地震能量，从而减轻对结构构件的不利影响。

（3）楼板自重大。大部分采用传统藏式民居的楼屋盖构造，即密椽平顶式楼盖，楼面密布圆木椽子、木板、草木和夯土等多层结构材料［17］，与汉式木板楼面相比，较大的楼层自重不仅增加了梁柱及承重墙的负担，也会加大地震作用。

（4）砌体或夯土墙的强度低、刚度大。作为承重墙易发生震害而导致房屋坍塌，作为外围非承重墙的损害风险高，易造成人员伤亡；无论是外贴还是内嵌的围护墙，与木框架均无任何拉结或加强整体性的措施，加大了其震害风险。

（5）建筑场地易失效。川西北安多藏式民居大多依山而建，因地制宜，依据山坡的缓急，地基的处理方式不尽相同，但普遍为半挖半填，场地处理简单。地震中场地失效也可能导致其上的房屋破坏。

2.2 建筑结构风貌及有利抗震的结构构造

川西北安多藏式民居在一座座山坡上呈现“下土上木，木瓦封顶”的楼阁状居所，兼具厚重与轻盈特征，富含文化与生活的气息，地方特色明显，与自然融为一体。土夯墙、石砌体、藤条、木块瓦、木构架乃至砌筑黄泥，均取材当地，具有良好的生态友好性。而在安多藏族悠久的发展历史中，历经若干次地震洗礼的藏式民居也形成了一些独特的抗震结构和构造，主要体现在以下几方面。

梁柱连接方式既有相对简单的直接搁搭式，也有较为复杂的雀替构造。前者受力简单，显粗犷之美，柱上端呈弧形，直接“叉”起大梁，或者在柱顶起一块托木，两侧梁交错搭接于其上，称为“毛柱头”，梁的错接不用卯榫和钉子，简单且更换方便，适用于房屋底层［18］；后者可视为半刚性节点，常见于民居二层或宗教建筑，如图7 所示，柱、斗、垫木、弓木、连梁从下到上形成集优美与实用为一体的节点组合，辅以暗销固定［19］，是长期以来藏式民居的独特结构节点，在结构中荷载传递具有重要作用。绘有艳丽色彩的雀替托起梁，装饰在藏民极为看重的经堂，成为藏式民居一道靓丽风景。此外，在青海同仁郭麻日村藏式民居发现如图9所示的插柱构造［20］，在下层柱顶留有榫头，上层柱底留有卯槽，甚至会用钢钉在接缝处环钉一周，增强柱抗侧移能力，加强层间竖向连续性。

图9 插柱构造示意图Fig.9 Schematic diagram of inserting post structure

纯砌体或夯土墙的整体性依赖于墙体内部材料的粘结性能，刚度较大，延性有限。墙体向上收分、内部辅以柳条、木棍编制而成的网状结构的承重生土墙如图10（a）所示，是藏民们与大自然长期斗争的智慧结晶，极似现代钢筋混凝土构造。独特的墙体构造使其在地震作用下泥散而墙不倒，震后修复容易。另有墙体使用柳条墙如图10（b）所示、木板墙或柳条敷泥墙形式［1］，可有效减轻结构自重。

图10 安多藏式民居墙体Fig.10 Walls of Amdo Tibetan houses

3 抗震设计和建造建议

基于上述分析，对安多藏式民居的设计建造提出了以下建议：

（1）优化结构构造体系

在保持安多地区藏式民居建筑风貌的同时，优化结构体系，加强房屋的整体性，尽量减轻自重，形成抗震科学合理的结构构造。

传统藏式民居木框架主次梁布局不甚合理，圆木椽子布置密集，楼面多层构造，面层以土夯实，自重较大且易造成木构件腐蚀。圆木椽子应适当减少并减小其直径，主梁及其他主要木框架承重构件可适当加大其尺寸或以强度更高的复合材料代替。如今混凝土面层已逐渐代替夯土面层在部分藏民家中运用，坚固且耐久。此外，平整的木质楼板亦可替代夯土楼板作为现代化藏式木质民居的重要组成部分。

（2）发展新型建造材料和建造工艺

挖掘传统建造工艺中亮点，引入新材料新工艺，实现墙体的结构受力功能和保温隔热功能的统一，提升民居的居住安全性和舒适性。

传统藏式民居大多数墙体抗震性能有限，耐久性不佳，引入水泥、砖砌体等材料代替黄泥、毛石等传统材料，能有效提升墙体的强度和耐久性。外围的藤条墙常以敷泥的方式取得保温隔热的效果，但强度及耐久性能有限。掺稻壳灰的水泥混凝土具有良好的保温隔热性能［22］，兼顾强度与绿色发展的理念，可考虑将其作为藏式民居的新型墙体材料加以利用。

（3）促进藏式民居建造标准化

在地方职能部门的统筹和专业人员的参与下，形成具有地方特色安多藏式民居设计施工及抗震加固导则或手册，确保当地藏民居住安全。