中国木构古建筑结构特性分析

2023-06-03王彩红

收藏与投资 2023年5期

摘要：中国数千年的历史，孕育了博大精深的中国文化。中国建筑艺术是中国文化中非常重要的组成部分，其建筑结构和特性不但具有一定的独特性，而且与现代力学和结构设计原理相符合。本文通过对中国木构古建筑结构特性进行深入分析，为后面对中国传统古建筑采取合理的保护措施提供重要的资料依据。

关键词：木构；古建筑；结构特性

在中国几千年的历史发展过程中，木构古建筑是非常璀璨的文化遗产。随着时间推移，古建筑这一文化遗产会受到环境和人为的破坏，所以亟需采取科学合理的措施来保护这些历史文物。因此，通过对木构古建筑的结构特性进行深入分析，便能够让人们对这一文化遗产有更加全面的认知，这样才能够让木构古建筑这一重要的历史文化遗产得到更好的延续和传承。

一、木材的物理性质

通常木构件的质量较轻，但具有较强的抗压性。将木构材料与其他材料相比较，木构材料更有利于加工和处理。但是，木构材料又具有一个非常明显的缺陷，温度和湿度对木构材料的影响较大，很容易让木构材料出现弯曲和变形的问题，甚至在情况严重的时候出现膨胀伸缩的现象。同时，木构材料又很容易被腐蚀，易点燃。木材所具备的弹性和黏性都是直接由木材的物理性质决定，而在长时间受压的情况下便很容易变形，而当压力变小之后，木构材料的变形程度不会再继续增加[1]。当对一些非常复杂的异性木材进行研究时，通过对比不同的抗拉和抗剪强度下所发生脆性破坏的临界条件，以及在抗压时所发生的塑形变形的临界条件，建立數据化的木构件模型，能够更加深入地对木构建筑结构的性能进行研究。

二、木构架的基本形式

在中国传统的建筑中，木构架是主要的结构形式，这种结构形式的古建筑始终坚持均衡对称的原则，由抬梁式、穿斗式（图2）、干阑式共同组合而成。其中，在这种结构形式的木构古建筑中，横梁、立柱和顺檩是非常重要的构件，承重构件和围护构件的功能非常明确。在“斗拱”和“榫卯”结构之间合理预留了伸缩范围，并在布局上始终坚持对称、规则的原则，强调质量与刚度变化的均匀性。同时，一些形状规则的建筑在抗震上能够始终保持一致性，让刚度中心与质量中心始终保持一致性[2]。这样当木构建筑的结构刚度没有削弱薄弱层，这样在扭转的过程中则会导致变形集中的情况发生，便会出现在墙倒的情况下屋不塌的现象。一些庭院在布局的过程中整体采用了对称的形式，沿着轴线进行对称布局，从而让主体建筑更好地凸显出来。

（一）抬梁式

西周末年，抬梁式的雏形出现，这种构架形式主要沿着进深的方向在石础上立柱，通过在柱上架梁，并使用横向的方式，能将柱的上端更好地连接起来，让最上层的梁保持立脊处于瓜柱的状态。通过在相邻两道屋架之间及各层梁的外端进行架擦，让两层擦之间的架椽来承受屋面的重量，便能形成屋面呈下凹弧面的两坡屋顶骨架。同时，通过采取横向的福排架的形式连接，这样便能够让房屋架构的强度和稳定性得到有效增强。这时两个屋架间的室内空间便被称为“间”，而一座建筑主要是由两间及两间以上共同组成的，如图1所示。

（二）穿斗式

穿斗式在修建的过程中主要是以进深的方向进行立柱，而在设柱时的密度较高，所以这时应该尽量用竖向的木材来取代横向的木梁。通常檩柱支撑体系具体涉及疏檩和密檩两种，而疏檩的间距一般较高，檩子一般放置在落地柱上，且全靠檩柱来进行支撑，这时穿枋在这个时候则发挥着拉结联系的作用，而不会受弯。密檩间距一般较小，其间距一般只有几厘米宽，所以会出现一部分柱子落地，而另外一些柱子不会落地的现象[3]。一些不落地的柱子插在下层的穿枋上，其受力则不再完全由檩柱承受，所以部分穿枋承受瓜柱的荷载，便会起到拉结和受弯的双重作用，整个结构的跨度较小。这样通过修建穿斗式的木构建筑，整个房屋架构的稳定性较高，能够更好地抵抗地震和暴风。但是，因柱间的跨度较小，所以并不适合应用于大型殿宇的修建，很难满足大型殿宇的空间需求。例如建于明万历二十五年（1597年）的四川万年台，歇山顶、穿斗抬梁式结构。建筑整体做工精细，极富民族特色，整体建筑具有鲜明的民族特色和较高的建筑艺术价值。

（三）井干式

井干式这种木构建筑兴起于商朝之前，其在修建的过程中主要是采用原木或者是裁切后的横断面木料，再通过层层垒叠，保证转角处的木料端口能够更好地咬合在一起，这样便形成了房屋的四壁。同时，房屋左右两侧壁上的立矮柱与承脊檩联合在一起便形成了房屋的维护壁体，而这种结构可直接在地面上进行修建，也可以像穿斗式一样建立在干阑式的木构架上[4]。

三、中国木构古建筑的结构特点

（一）结构体系分工明确

通过将木构古建筑与当前的框架建筑结构进行比较，两者之间存在一定的相似性，但不同点在于节点的构造不尽相同。抬梁式木结构是中国木构古建筑的一种重要形式，其抬梁式木结构在设计的过程中应该明确承重与围护功能，而这种建筑形式的四周墙壁则只能够起到围护作用，并不需要承受荷载。因此，柱网结构更容易形成正方形或者是矩形，增大整个建筑的空间，且呈现灵活多变的特点。

（二）减震性能良好

一般木材具有良好的弹性和黏性，所以在木构古建筑中的榫和卯因使用木材制作，其在具备弹性和黏性的前提下也很容易出现变形。但是，这种结构的古建筑具有较强的抗震性。

四、中国木构古建筑的重要节点受力分析

（一）斗拱

斗拱是中国木构古建筑中连接屋盖和柱架的重要构件，其主要作用于承接上部的荷载，是一个非常重要的节点。斗拱的计量主要由材份制和斗口制组合而成。通常斗拱与斗拱之间的不同之处在于以下几个方面：一是使用不同的高宽比进行划分；二是用“斗口”来划分不同的模数。因此，通过比较宋朝和清朝两代的斗拱，便可以发现一般宋朝的斗拱截面的高和宽较清朝的大，所以作为主要受弯的斗拱而言，宋朝斗拱在制作的过程中有利于节省材料，从而大幅度提升木质材料的利用效率。例如清朝故宫建筑中的斗拱作为铺作层中非常关键的一个节点，其铺作层起着较强的受力作用，如图3所示。

（二）梁柱节点和柱脚节点

在中国木构古建筑的柱架层两个非常关键的节点就是梁柱节点和柱脚节点。其中，梁柱节点主要是以榫卯的形式将梁柱连接起来，所以根据榫的不同形式，又可以划分为燕尾榫和直榫；通过根据榫是否将卯的构建穿透，又具体划分为半榫和透榫。当前比较典型的半刚性节点主要分为梁柱节点和柱脚节点。因此，在开展实验的过程中，可以清晰地发现木结构建筑在被破坏的时候，其抗弯的性能呈现明显下降的趋势。这时便可采用非线性分析的方式来确定节点的转角和弯矩关系，准确计算出切点的刚度。

（三）地基与基础

通过以扁卵石来扩大立柱基础，采取浅埋木立柱的方式，保证单个立柱依靠上部与梁等構件来形成稳定的空间结构。其中，清朝的《工程做法则例》在规定埋头深的时候主要是以檩的数量为依据，而在确定础石深度和台基高度、穷土厚度的时候应该以荷载条件为标准。其中，由柱顶石、阶条石、角柱石、须弥座、踏垛石共同组合而成。其中，台基又分为普通台基、须弥座台基、带勾栏台基和复合型台基，所以须弥座台基一般被应用于大式建筑上。然后，再根据不同台基使用不同的石材构件，将踏垛石安装在台基的中间，再在台基的四角之处安装石材或者是砖包砌，而埋头石、角柱石是安置断面的主要石材。阶条石、压面石、牙栏石等则主要是被应用于台边的安置。

（四）侧脚与升起

在安装中国木构古建筑的外檐柱时，侧脚是非常重要的组成部分。通常柱脚应该向外侧偏移，而柱顶则主要是向内侧偏移，前后外沿柱的倾斜柱高标准为千分之一，而两山向内倾斜千分之八，这样角柱内的两个方向都有一定的倾斜，从而让建筑的稳定性得到有效增强。升起则是柱子由明间向两侧逐步升高，而中心的两个柱子不升起，这样便能让建筑檐口和屋脊形成上扬的曲线，显著提升建筑的美观性。