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大地震中的中國傳統(tǒng)建筑

中國土木工程學(xué)會防震減災(zāi)工程技術(shù)推廣委員會  委員

中國建筑學(xué)會工程建設(shè)學(xué)術(shù)委員會  理事

教授級高工  佟建國

2013年4月20日四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級地震。地震已造成房屋倒塌5.6萬余間。然而在這樣大的地震中，一座在地震中“毫發(fā)無損”的瓦木結(jié)構(gòu)建筑引起了社會的廣泛關(guān)注,被網(wǎng)友稱為“樓堅強”。

蘆山張家大院為瓦木結(jié)構(gòu)四合院,坐落于雅安市蘆山縣龍門鄉(xiāng)古城村山腳下,由7戶張姓人家居住，地震后 ,周圍民房或倒塌、或開裂不同,老宅除了屋脊上掉下幾頁瓦片外,其他幾乎完好無損。

我們講現(xiàn)代減震控制技術(shù)時,不得不談到中國傳統(tǒng)建筑。我們知道，中國是地震多發(fā)國家，“農(nóng)者知耕 ,匠者知木”。古代工匠們在長期與地震的斗爭中不斷總結(jié)、積累豐富而又精湛的經(jīng)驗。逐漸形成了一整套獨特的防震體系，其內(nèi)涵博大精深,許多現(xiàn)有的建筑齡逾千年,震而不壞，震而不倒。中國古代建筑的防震思想的形成和發(fā)展經(jīng)歷,具有珍貴的歷史和科學(xué)價值。其簡潔有效的“以柔克剛”機理，對我們現(xiàn)代減震控制技術(shù)的研究具有及其寶貴落的借鑒意義。

古代工匠發(fā)明了榫卯、斗拱、梯形結(jié)構(gòu)等是當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)的最符合自然規(guī)律的建筑結(jié)構(gòu)方式。而今天的人憑借著強大的科學(xué)技術(shù),雖然創(chuàng)出了更多的建筑奇觀，但這些高科技卻讓人們誤忘自然界那些恒定的規(guī)律。

與西方傳統(tǒng)建筑“以剛克剛”不同,中國傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)在抵抗地震沖擊時,采用的是“以柔克剛”的思維通過種種巧妙的措施，作為對比，西方數(shù)千年一直采用承面場消弭至最小程度。將成到工業(yè)革市近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展以后才限品到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。這種框架結(jié)構(gòu)仍然是“以剛克剛”,而中國傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，可以達到“墻倒而屋不倒"的功底其柔性連接又使它具有相當(dāng)?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴?fù)力。5.12汶川地震許多文物建筑均不同程度受損,但主體仍未倒塌。這就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力的表現(xiàn)。

1.     蘆山張家大院

“張家大院”坐落在蘆山縣龍門鄉(xiāng)古城村東南的一處山腳下,正好位4.20震中區(qū)。四合院坐南朝北,共有16間住房,面積972平方米。這座建于清朝同治年間、距今180年歷史、上下兩層,木瓦結(jié)構(gòu)的老宅,與周圍民房或倒塌、或開裂的民宅相比，在這次大地震中除了屋脊脫落幾塊瓦片外，居然沒有地震的裂痕。沒有任何損傷。

這座古色古香的四合院式者宅,青石鋪面天井的老宅,現(xiàn)在住了7戶人家，本來蓋了新房的5戶已經(jīng)搬走，震后因為新房不同程度的損傷又都搬了回來。  “老屋經(jīng)事多，住著踏實”。住戶如是說,老老少少40多口人住在這里，生活和震前沒什么兩樣。長征期間，這里還曾是紅30軍司令部。蘆山龍門鄉(xiāng)古城村的這座老宅，歷經(jīng)了一百多年來的風(fēng)霜雨雪、紛飛站火，特別是近5年來還連續(xù)經(jīng)歷了汶川、蘆山兩次強震，卻依然屹立于天地之間，不得不讓人感慨萬千。

震而不損,震而不倒的奧秘在哪兒?從結(jié)構(gòu).上看似乎與后期木瓦徒結(jié)構(gòu)沒什么不同,環(huán)顧整個大院,中間是天井，所謂墻壁是古色的木板,地基是采用的柱礎(chǔ),地上則是鋪的改造的黃沙石。屋頂是老式瓦片,靠近前廳的屋頂上,有些瓦片脫落。

奧妙就在于這是一坐"隔震”的建筑!整個建筑外圍承重立柱沒有限位的放在柱礎(chǔ)上,地基振動時通過立柱底面與柱礎(chǔ)接觸面的錯動,從而消耗了地震傳至上部結(jié)構(gòu)的能量,使上部結(jié)構(gòu)的振動減小。我們到西雙版納看到的也是這樣。( 圖2 )立柱完全放在柱礎(chǔ)上,地震來的時候,立柱在柱礎(chǔ)上錯動一下,消耗能量,房子反而不倒。

應(yīng)縣木塔始建于遼代，至今已有957年歷史，塔高67.3.紅松木料3000立方，約2600多噸。塔平面為八角形。地面直徑約為32m，整個木塔高聳蒼勁、莊嚴(yán)雄渾,是當(dāng)今世界最高大的木結(jié)構(gòu)建筑。與比薩斜塔和埃菲爾鐵塔被世人稱為“世界三大奇塔”。(圖3)近千年的歲月中,木塔經(jīng)受了日夜,四季變化,風(fēng)霜雨雪侵蝕外。還遭受了多次強烈的地震襲擊。據(jù)史書記載,元大德九年八月,大同發(fā)生6.5級地震,有聲如雷,波及木塔,元順帝間,立應(yīng)縣大震7日,塔旁矮小舍宇皆倒塌,唯木塔巋然不動?，F(xiàn)代邢臺、唐山、大同一帶屢次地震都波及木塔,木塔擺動,風(fēng)鈴全部震響,持續(xù)五分鐘。過后木塔巋然不動，傲然挺立!木塔的結(jié)構(gòu)采用斗拱、榫卯,柱梁鑲嵌行穿插吻合,(圖4)特別是在節(jié)點處不用釘,不用鉚。由于不是剛性連接,地震力又不會集中在一個點,而分配到各個榫卵斗拱處,地震時相互錯動回位,加之木材又其有磚混結(jié)構(gòu)不具備的輕量化和韌性,從而消耗地震能量，僅斗拱就有50多種,古人解決抗震的技術(shù)之高，連現(xiàn)代人都覺得不可思議。比如塔底回廊外,由24根木柱支撐。在靜止的情況下,單根木柱大概負荷為120噸，可是柱下的基石根本沒有巢臼,完全是放在基石上的。據(jù)說有人用細線能在基石與木柱間橫過。所以民間有傳說是24跟柱子輪流休息,不放長假。這當(dāng)然是傳說,但是木柱完全放在基石上是沒話可說的。這和，上述蘆山家大院同樣的道理。近代日本的地震專家在《地震與建筑》一書提出了五條抗震設(shè)計原則。我們在將木塔結(jié)構(gòu)特點與之對比就會發(fā)現(xiàn)。早在957年前,應(yīng)縣木塔的設(shè)計者已經(jīng)深深懂得了并完成了這些創(chuàng)舉。

始建于公元741- 755年唐朝天寶年間,重建于公元984年遼代,迄今已有1019年。（圖5）觀音閣先后經(jīng)歷了28次地震襲擊,特別是1679年三河平谷和1976個一唐山7.8級地震距薊縣可以說是近在咫尺,但安然無恙,紋絲未動,其建筑整體的抗震能力之強,使世界建筑界驚嘆,堪稱中外建筑結(jié)構(gòu)抗震奇跡。主體建筑高為23m雙層結(jié)構(gòu)。閣體木構(gòu)架,框節(jié)點以斗拱相連,鏈接處皆以木齒咬合，結(jié)構(gòu)相當(dāng)精巧。梁思成先生曾對觀音閣的五架梁作過動、靜載荷及繞曲、剪切等應(yīng)力計算后發(fā)現(xiàn),該閣的梁架用料非常得當(dāng),如同靜心計算。由于觀音閣用料用材,結(jié)構(gòu)合理,特別是上層梁架和屋頂較輕,柱網(wǎng)布設(shè)整體合理均勻,榫卯結(jié)合嚴(yán)密而不死,地基勻稱堅實。所以雖經(jīng)歷多次強烈地震和強烈風(fēng)暴襲擊但任然巍然吃立。中國古代建筑以它優(yōu)美的輪廓和變化多姿的形式而令世人贊賞.但這樣的外形不是任意造成,而是適應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能和實際用途需要而產(chǎn)生的。

4.馬爾康直波碉樓

該碉樓2001年被評為全國重點文物保護單位。( 圖6)

直波碉樓據(jù)馬爾康縣城15公里。直波村現(xiàn)有兩座完好的碉樓，經(jīng)過測量一號整體垂 直度偏差為2.318米,碉樓高度43m,外表呈八角形,即底層對角直徑為8米,頂部對角直徑為5.3米。由下往上錐體狀。由砌石和黃泥砌筑而成。碉樓內(nèi)部分13層，每層有圓木伸入墻內(nèi)。上鋪墊木板 ,底層全封閉，二層設(shè)門出入，由木梯上下,碉樓修建于清朝乾隆年間，距今300多年，半個世紀(jì)共經(jīng)歷了3次大地震，包括1933年疊溪75級大地震，1976年松潘7.2級大地震以及瀏川5.12特大地震,震而不倒,斜而不倒。這不能不說是個奇跡,按照我們國家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30-60年的建筑，其垂直度偏差不能超過10毫米,碉樓斜了2.3米多。

汶川大地震中許多百年的古碉和村寨民房未遭太大的破壞,起碼沒倒，而那些近年來建造的仿古建筑，仿古碉樓在5.12大地震中卻大多經(jīng)不起考驗而倒塌了。比如5.12地震前恢復(fù)仿造的桃坪羌寨，剛落成的新寨,倒塌一片，碉樓削去了頂部，90%出現(xiàn)了問題。而在舊寨,雖然也有倒塌和開裂。但整體受損好于新寨，50%的建筑還能使用。老寨子里3座碉樓，其中一座是新修的,新修的倒了，上百年的老碉樓只是頂部受損。相距不遠的43米高的直波碉樓在5.12地震居然沒震掉一塊石頭。所以老百姓說假古董倒了，真古董沒倒。古碉樓與仿碉樓為什么會有這樣鮮明的對比?假古董為什么這樣不經(jīng)用?古代藏羌工匠到底用的什么高招呢?特別是直波碉樓創(chuàng)造了震而不倒,斜而不倒的奇跡。由于特別感興趣，我和我的伙伴到當(dāng)?shù)貙嵅?，深入了解與分析。在這里我談?wù)勎覀兊目捶?/span>:前面談的山西應(yīng)縣木塔和河北薊縣獨樂寺觀音閣是木結(jié)構(gòu)建筑，其消能減震的功能是被專家認可的,看大量的文獻可以查出。但碉樓是石塊黃泥砌筑,石塊和黃泥產(chǎn)生消能阻尼的作用嗎?我冒然的說,是的。也許一些專家會認為我的這個所謂定論過于牽強,只是停留在表面觀察階段，沒有深入的進行結(jié)構(gòu)分折,但我以為科學(xué)研究也可以通過現(xiàn)象看本質(zhì),我提出來,希望科研院校的教授們共同來研討,我想以下的幾點說明我的看法。

(1)首先是整體的布局和形態(tài),八角形,中國人常說四平八穩(wěn),所以碉樓多為八個角和四個角,八角形成準(zhǔn)體狀， 下大上小，逐漸收縮,墻厚95公分。結(jié)構(gòu)平面、立面布置規(guī)則對稱,構(gòu)件分配力均勻,即承載力、剛度、質(zhì)量也就分布對稱、均勻,減小了地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。這樣形態(tài)本身就有一定的穩(wěn)定作用。下大上小，就好像一個人叉開腳一樣,不太容易推倒，中國人打太極拳,過程基本上是叉開的馬步,你并上腳試試,一推就倒。八個角伸向了八個方向很好的契合了建筑學(xué)上的力學(xué)原理。當(dāng)?shù)卣饋淼臅r候,無論從哪個方向,總有一兩個角最先接應(yīng)。同時分配到相鄰的三角中,這時已經(jīng)消耗了一定的能量,所以說凸角處有較大的裂紋,未傳到內(nèi)壁。

（2）仿古建筑及假古董與傳統(tǒng)古建筑的樓板最大的區(qū)別是，假古董多采用現(xiàn)澆板或預(yù)制板,這種混凝土板用在仿古建筑上,特別是用在砌石體上是極大的錯誤剛性大的現(xiàn)澆板和預(yù)制松缺少韌性,平面剛度的突然變化更容易塌毀,我們從桃坪新村仿古建筑上看到了這點，現(xiàn)代建筑的破壞也能說明這。這種剛度差異太大的水平破壞在災(zāi)區(qū)震害中非常普遍。而古建筑的碉樓樓板是采用圓木作為輔助承重體插入墻體內(nèi),上鋪木板,然后鋪上黃泥,黃泥黃總摻入糯米漿,又輕、又有韌性,充分體現(xiàn)了”以柔克剛”消能減震的機理。

（3）砌石體由當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的頁巖片石和當(dāng)?shù)攸S泥組成，砌石毛料-般為15-30公分厚, 20-40公分寬,其他插入大小不等的石塊,沒有圓形石和鵝卵石，基本上來多大石頭就用多大石料,下層稍大是考慮垂直搬運原因。毛料-般選擇至少有兩個平面,以便外表整齊平整和美觀,其他面在砌石時敲打成適宜形狀。每塊砌石的間都采用錯縫搭接。由于石料的不規(guī)則,砌石與砌石間用黃泥筑成,并填滿石塊。敲打石塊使黃泥充滿砌石間隙成為一體。每層砌石都在同一水平面上,一層疊一層，一層壓一層。保證了碉樓內(nèi)、外形的美觀,同時也減小了砌石間復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。碉樓分為官碉和民碉,官碉必須由當(dāng)?shù)丶夹g(shù)高超的工匠施工,先砌棱角和墻角,其垂直度和內(nèi)收完全靠工匠的眼力。從殘墻剖面看到砌石體已融為一個整體。
    (4)黃泥的制作工序非?？季?。根據(jù)當(dāng)?shù)匾晃唤兴惯_頭的藏族老人及當(dāng)?shù)亟橙酥v述,在原地選擇沒有巖石露頭的坡地,將表面的一層土鏟除,露出第二層新土,看土質(zhì)是純土還是摻雜了一些小石塊等雜物的土。盡量選擇無雜物的土,把較大塊的土敲打成均勻的細土,經(jīng)過竹篩,篩去沙粒和雜物,加山水反復(fù)攪拌。當(dāng)用量大時,用牛反復(fù)在泥土上踩拌,水不宜過多,攪拌成基本沒有流動性的泥漿即可。達到黏而不散、粉而不沙的效果,將攪拌完成的泥漿用雨布蓋上,并用棉布之類的覆蓋嚴(yán)實，冬天堆放2天,夏天堆放1天即可。也有人說泥漿里要加入青稞麥稈,也有人說不加。但居民房和碉樓墻內(nèi)必須加入2寸左右的青稞麥稈以增加抗震性能。我們采用了日本S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡、牛津能譜儀進行測量分析表明, C元素和O元素達到90%以上,也就是說出現(xiàn)了生物菌絲體。原土特性通過特殊的制作過程達到了發(fā)酵的作用。其生物菌絲體又具有一定的韌度和柔性，在放大5萬倍時達到納米級微細并滲入砌石體內(nèi)，尤如樹根牢牢抓入,從而在相對運動時,不易脫開，這和斗拱、榫卯的原理只一致的。

(5)基本施工工序.據(jù)說,每砌一層要停工一年以上，甚至更長。待下層充分粘合、沉降后才能繼續(xù)往上修。隔年后這種經(jīng)過時間和各種自然外力的考驗，觀察其沒有開裂,沒有石塊滑落,沒有松動現(xiàn)象才能算合格才能繼續(xù)往上修?？磥肀痊F(xiàn)在質(zhì)檢站驗收嚴(yán)格的多,現(xiàn)在恨不得一天修一層。據(jù)說，村上生了男孩子才修一層，第二年如果沒生就不修了,直到村上再生男孩子。說是修之前，要在地下挖個坑,埋入鐵塊,修好后挖出鐵塊,鑄成刀劍，佩戴在男孩身上,刀槍不入，戰(zhàn)無不勝。雖然無法考證這些傳說,但至少說明不是一兩年能修成的。古代工匠也許不懂說明沉降道理,但民族的這種風(fēng)俗卻達到了這樣的作用。我發(fā)現(xiàn)所有的古代建筑,上百年以上現(xiàn)存的建筑，都沒有一氣呵成的。比薩斜塔修了很多年,從動工到現(xiàn)在這個樣子,整整修了230年。不可想象,當(dāng)修到第三層時發(fā)現(xiàn)斜了,不敢修了。過了幾年幾十年,發(fā)現(xiàn)完好無損，再修-層又不敢修了。過了幾年幾十年沒事，又往上修。直到第七層不敢修了, 有人說，再修一層，這一層往傾斜的反方向修,就成了現(xiàn)在這個樣子。山西應(yīng)縣木塔修了139年,河北薊縣獨樂寺觀音閣也修了十多年，我不是說現(xiàn)在我們必須修好長時間,那還怎么體現(xiàn)動績?我們現(xiàn)在有很多力方法能快好省的解決，比如測量技術(shù)、地勘技術(shù)、加固技術(shù)等，古代沒這些技術(shù)，但能到達這樣的效果,我們從中也能悟到其中的道理。現(xiàn)在一些工程，特別是些市政工程和些大形工程為了迎合領(lǐng)導(dǎo)的面子和心愿或者要趕一個什么會要開，不顧實際情況，說什么時候交工就必須什么時候，本來年才能完成的工程非讓你半年完成不可,有的甚至是違反基本原則,特別是一些加固工程。比如加層等載荷增加的加固,必須是加固后才能往上施工,不等你加固他就往上加層,這好像是飯都沒吃飽就讓你舉重一樣。到底是上級領(lǐng)導(dǎo)重要還是質(zhì)量重要，到底是開會重要還是命重要?真的應(yīng)該反思了!這些工程就像我說的四條腿的桌子去悼了一條腿 ,現(xiàn)在看來沒事,旦受到地震等外力作用必然出大事 !到時候后悔是來不急的。之所以這么說是因為這種情況在建筑領(lǐng)域太多的發(fā)生。

古人給我們留下的不僅僅是鬼斧神工、精妙絕倫的建筑藝術(shù),也給我們留下了博大精深的抗震防災(zāi)思想精髓為后人提供了思考和研究的課題。