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大地震中的中国传统建筑

发布时间:2019-03-19 点击次数:427 新闻来源:【本站】

 

大地震中的中国传统建筑

中国土木工程学会防震减灾工程技术推广委员会  委员

中国建筑学会工程建设学术委员会  理事

教授级高工  佟建国

2013420日四川省雅安市芦山县发生7.0级地震。地震已造成房屋倒塌5.6万余间。然而在这样大的地震中,一座在地震中“毫发无损”的瓦木结构建筑引起了社会的广泛关注,被网友称为“楼坚强”。

芦山张家大院为瓦木结构四合院,坐落于雅安市芦山县龙门乡古城村山脚下,7户张姓人家居住,地震后 ,周围民房或倒塌、或开裂不同,老宅除了屋脊上掉下几页瓦片外,其他几乎完好无损。

我们讲现代减震控制技术时,不得不谈到中国传统建筑。我们知道,中国是地震多发国家,“农者知耕 ,匠者知木”。古代工匠们在长期与地震的斗争中不断总结、积累丰富而又精湛的经验。逐渐形成了一整套独特的防震体系,其内涵博大精深,许多现有的建筑龄逾千年,震而不坏,震而不倒。中国古代建筑的防震思想的形成和发展经历,具有珍贵的历史和科学价值。其简洁有效的“以柔克刚”机理,对我们现代减震控制技术的研究具有及其宝贵落的借鉴意义。

古代工匠发明了榫卯、斗拱、梯形结构等是当时人们发现的最符合自然规律的建筑结构方式。而今天的人凭借着强大的科学技术,虽然创出了更多的建筑奇观,但这些高科技却让人们误忘自然界那些恒定的规律。

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与西方传统建筑“以刚克刚”不同,中国传统建筑结构在抵抗地震冲击时,采用的是“以柔克刚”的思维通过种种巧妙的措施,作为对比,西方数千年一直采用承面场消弭至最小程度。将成到工业革市近现代科学技术发展以后才限品到框架结构的优越性。这种框架结构仍然是“以刚克刚”,而中国传统结构具有框架结构的优越性,可以达到“墙倒而屋不倒"的功底其柔性连接又使它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复力。5.12汶川地震许多文物建筑均不同程度受损,但主体仍未倒塌。这就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。

1.     芦山张家大院

“张家大院”坐落在芦山县龙门乡古城村东南的一处山脚下,正好位4.20震中区。四合院坐南朝北,共有16间住房,面积972平方米。这座建于清朝同治年间、距今180年历史、上下两层,木瓦结构的老宅,与周围民房或倒塌、或开裂的民宅相比,在这次大地震中除了屋脊脱落几块瓦片外,居然没有地震的裂痕。没有任何损伤。

这座古色古香的四合院式者宅,青石铺面天井的老宅,现在住了7户人家,本来盖了新房的5户已经搬走,震后因为新房不同程度的损伤又都搬了回来。  “老屋经事多,住着踏实”。住户如是说,老老少少40多口人住在这里,生活和震前没什么两样。长征期间,这里还曾是红30军司令部。芦山龙门乡古城村的这座老宅,历经了一百多年来的风霜雨雪、纷飞站火,特别是近5年来还连续经历了汶川、芦山两次强震,却依然屹立于天地之间,不得不让人感慨万千。

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震而不损,震而不倒的奥秘在哪儿?从结构.上看似乎与后期木瓦徒结构没什么不同,环顾整个大院,中间是天井,所谓墙壁是古色的木板,地基是采用的柱础,地上则是铺的改造的黄沙石。屋顶是老式瓦片,靠近前厅的屋顶上,有些瓦片脱落。

奥妙就在于这是一坐"隔震”的建筑!整个建筑外围承重立柱没有限位的放在柱础上,地基振动时通过立柱底面与柱础接触面的错动,从而消耗了地震传至上部结构的能量,使上部结构的振动减小。我们到西双版纳看到的也是这样。( 2 )立柱完全放在柱础上,地震来的时候,立柱在柱础上错动一下,消耗能量,房子反而不倒。

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应县木塔始建于辽代,至今已有957年历史,塔高67.3.红松木料3000立方,约2600多吨。塔平面为八角形。地面直径约为32m整个木塔高耸苍劲、庄严雄浑,是当今世界最高大的木结构建筑。与比萨斜塔和埃菲尔铁塔被世人称为“世界三大奇塔”。(图3)近千年的岁月中,木塔经受了日夜,四季变化,风霜雨雪侵蚀外。还遭受了多次强烈的地震袭击。据史书记载,元大德九年八月,大同发生6.5级地震,有声如雷,波及木塔,元顺帝间,立应县大震7日,塔旁矮小舍宇皆倒塌,唯木塔岿然不动。现代邢台、唐山、大同一带屡次地震都波及木塔,木塔摆动,风铃全部震响,持续五分钟。过后木塔岿然不动,傲然挺立!木塔的结构采用斗拱、榫卯,柱梁镶嵌行穿插吻合,(图4)特别是在节点处不用钉,不用铆。由于不是刚性连接,地震力又不会集中在一个点,而分配到各个榫卵斗拱处,地震时相互错动回位,加之木材又其有砖混结构不具备的轻量化和韧性,从而消耗地震能量,仅斗拱就有50多种,古人解决抗震的技术之高,连现代人都觉得不可思议。比如塔底回廊外,由24根木柱支撑。在静止的情况下,单根木柱大概负荷为120吨,可是柱下的基石根本没有巢臼,完全是放在基石上的。据说有人用细线能在基石与木柱间横过。所以民间有传说是24跟柱子轮流休息,不放长假。这当然是传说,但是木柱完全放在基石上是没话可说的。这和,上述芦山家大院同样的道理。近代日本的地震专家在《地震与建筑》一书提出了五条抗震设计原则。我们在将木塔结构特点与之对比就会发现。早在957年前,应县木塔的设计者已经深深懂得了并完成了这些创举。

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始建于公元741- 755年唐朝天宝年间,重建于公元984年辽代,迄今已有1019年。(图5)观音阁先后经历了28次地震袭击,特别是1679年三河平谷和1976个一唐山7.8级地震距蓟县可以说是近在咫尺,但安然无恙,纹丝未动,其建筑整体的抗震能力之强,使世界建筑界惊叹,堪称中外建筑结构抗震奇迹。主体建筑高为23m双层结构。阁体木构架,框节点以斗拱相连,链接处皆以木齿咬合,结构相当精巧。梁思成先生曾对观音阁的五架梁作过动、静载荷及绕曲、剪切等应力计算后发现,该阁的梁架用料非常得当,如同静心计算。由于观音阁用料用材,结构合理,特别是上层梁架和屋顶较轻,柱网布设整体合理均匀,榫卯结合严密而不死,地基匀称坚实。所以虽经历多次强烈地震和强烈风暴袭击但任然巍然吃立。中国古代建筑以它优美的轮廓和变化多姿的形式而令世人赞赏.但这样的外形不是任意造成,而是适应内部结构的性能和实际用途需要而产生的。

4.马尔康直波碉楼

该碉楼2001年被评为全国重点文物保护单位。( 6)

直波碉楼据马尔康县城15公里。直波村现有两座完好的碉楼,经过测量一号整体垂 直度偏差为2.318,碉楼高度43m,外表呈八角形,即底层对角直径为8,顶部对角直径为5.3米。由下往上锥体状。由砌石和黄泥砌筑而成。碉楼内部分13层,每层有圆木伸入墙内。上铺垫木板 ,底层全封闭,二层设门出入,由木梯上下,碉楼修建于清朝乾隆年间,距今300多年,半个世纪共经历了3次大地震,包括1933年叠溪75级大地震,1976年松潘7.2级大地震以及浏川5.12特大地震,震而不倒,斜而不倒。这不能不说是个奇迹,按照我们国家的行业标准30-60年的建筑,其垂直度偏差不能超过10毫米,碉楼斜了2.3米多。

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汶川大地震中许多百年的古碉和村寨民房未遭太大的破坏,起码没倒,而那些近年来建造的仿古建筑,仿古碉楼在5.12大地震中却大多经不起考验而倒塌了。比如5.12地震前恢复仿造的桃坪羌寨,刚落成的新寨,倒塌一片,碉楼削去了顶部,90%出现了问题。而在旧寨,虽然也有倒塌和开裂。但整体受损好于新寨,50%的建筑还能使用。老寨子里3座碉楼,其中一座是新修的,新修的倒了,上百年的老碉楼只是顶部受损。相距不远的43米高的直波碉楼在5.12地震居然没震掉一块石头。所以老百姓说假古董倒了,真古董没倒。古碉楼与仿碉楼为什么会有这样鲜明的对比?假古董为什么这样不经用?古代藏羌工匠到底用的什么高招呢?特别是直波碉楼创造了震而不倒,斜而不倒的奇迹。由于特别感兴趣,我和我的伙伴到当地实查,深入了解与分析。在这里我谈谈我们的看法:前面谈的山西应县木塔和河北蓟县独乐寺观音阁是木结构建筑,其消能减震的功能是被专家认可的,看大量的文献可以查出。但碉楼是石块黄泥砌筑,石块和黄泥产生消能阻尼的作用吗?我冒然的说,是的。也许一些专家会认为我的这个所谓定论过于牵强,只是停留在表面观察阶段,没有深入的进行结构分折,但我以为科学研究也可以通过现象看本质,我提出来,希望科研院校的教授们共同来研讨,我想以下的几点说明我的看法。

(1)首先是整体的布局和形态,八角形,中国人常说四平八稳,所以碉楼多为八个角和四个角,八角形成准体状, 下大上小,逐渐收缩,墙厚95公分。结构平面、立面布置规则对称,构件分配力均匀,即承载力、刚度、质量也就分布对称、均匀,减小了地震作用下的扭转反应。这样形态本身就有一定的稳定作用。下大上小,就好像一个人叉开脚一样,不太容易推倒,中国人打太极拳,过程基本上是叉开的马步,你并上脚试试,一推就倒。八个角伸向了八个方向很好的契合了建筑学上的力学原理。当地震来的时候,无论从哪个方向,总有一两个角最先接应。同时分配到相邻的三角中,这时已经消耗了一定的能量,所以说凸角处有较大的裂纹,未传到内壁。

(2)仿古建筑及假古董与传统古建筑的楼板最大的区别是,假古董多采用现浇板或预制板,这种混凝土板用在仿古建筑上,特别是用在砌石体上是极大的错误刚性大的现浇板和预制松缺少韧性,平面刚度的突然变化更容易塌毁,我们从桃坪新村仿古建筑上看到了这点,现代建筑的破坏也能说明这。这种刚度差异太大的水平破坏在灾区震害中非常普遍。而古建筑的碉楼楼板是采用圆木作为辅助承重体插入墙体内,上铺木板,然后铺上黄泥,黄泥黄总掺入糯米浆,又轻、又有韧性,充分体现了”以柔克刚”消能减震的机理。

(3)砌石体由当地盛产的页岩片石和当地黄泥组成,砌石毛料-般为15-30公分厚, 20-40公分宽,其他插入大小不等的石块,没有圆形石和鹅卵石,基本上来多大石头就用多大石料,下层稍大是考虑垂直搬运原因。毛料-般选择至少有两个平面,以便外表整齐平整和美观,其他面在砌石时敲打成适宜形状。每块砌石的间都采用错缝搭接。由于石料的不规则,砌石与砌石间用黄泥筑成,并填满石块。敲打石块使黄泥充满砌石间隙成为一体。每层砌石都在同一水平面上,一层叠一层,一层压一层。保证了碉楼内、外形的美观,同时也减小了砌石间复杂应力状态。碉楼分为官碉和民碉,官碉必须由当地技术高超的工匠施工,先砌棱角和墙角,其垂直度和内收完全靠工匠的眼力。从残墙剖面看到砌石体已融为一个整体。
    (4)黄泥的制作工序非常考究。根据当地一位叫斯达头的藏族老人及当地匠人讲述,在原地选择没有岩石露头的坡地,将表面的一层土铲除,露出第二层新土,看土质是纯土还是掺杂了一些小石块等杂物的土。尽量选择无杂物的土,把较大块的土敲打成均匀的细土,经过竹筛,筛去沙粒和杂物,加山水反复搅拌。当用量大时,用牛反复在泥土上踩拌,水不宜过多,搅拌成基本没有流动性的泥浆即可。达到黏而不散、粉而不沙的效果,将搅拌完成的泥浆用雨布盖上,并用棉布之类的覆盖严实,冬天堆放2天,夏天堆放1天即可。也有人说泥浆里要加入青稞麦秆,也有人说不加。但居民房和碉楼墙内必须加入2寸左右的青稞麦秆以增加抗震性能。我们采用了日本S-4800场发射扫描电子显微镜、牛津能谱仪进行测量分析表明, C元素和O元素达到90%以上,也就是说出现了生物菌丝体。原土特性通过特殊的制作过程达到了发酵的作用。其生物菌丝体又具有一定的韧度和柔性,在放大5万倍时达到纳米级微细并渗入砌石体内,尤如树根牢牢抓入,从而在相对运动时,不易脱开,这和斗拱、榫卯的原理只一致的。

(5)基本施工工序.据说,每砌一层要停工一年以上,甚至更长。待下层充分粘合、沉降后才能继续往上修。隔年后这种经过时间和各种自然外力的考验,观察其没有开裂,没有石块滑落,没有松动现象才能算合格才能继续往上修。看来比现在质检站验收严格的多,现在恨不得一天修一层。据说,村上生了男孩子才修一层,第二年如果没生就不修了,直到村上再生男孩子。说是修之前,要在地下挖个坑,埋入铁块,修好后挖出铁块,铸成刀剑,佩戴在男孩身上,刀枪不入,战无不胜。虽然无法考证这些传说,但至少说明不是一两年能修成的。古代工匠也许不懂说明沉降道理,但民族的这种风俗却达到了这样的作用。我发现所有的古代建筑,上百年以上现存的建筑,都没有一气呵成的。比萨斜塔修了很多年,从动工到现在这个样子,整整修了230年。不可想象,当修到第三层时发现斜了,不敢修了。过了几年几十年,发现完好无损,再修-层又不敢修了。过了几年几十年没事,又往上修。直到第七层不敢修了, 有人说,再修一层,这一层往倾斜的反方向修,就成了现在这个样子。山西应县木塔修了139年,河北蓟县独乐寺观音阁也修了十多年,我不是说现在我们必须修好长时间,那还怎么体现动绩?我们现在有很多力方法能快好省的解决,比如测量技术、地勘技术、加固技术等,古代没这些技术,但能到达这样的效果,我们从中也能悟到其中的道理。现在一些工程,特别是些市政工程和些大形工程为了迎合领导的面子和心愿或者要赶一个什么会要开,不顾实际情况,说什么时候交工就必须什么时候,本来年才能完成的工程非让你半年完成不可,有的甚至是违反基本原则,特别是一些加固工程。比如加层等载荷增加的加固,必须是加固后才能往上施工,不等你加固他就往上加层,这好像是饭都没吃饱就让你举重一样。到底是上级领导重要还是质量重要,到底是开会重要还是命重要?真的应该反思了!这些工程就像我说的四条腿的桌子去悼了一条腿 ,现在看来没事,旦受到地震等外力作用必然出大事 !到时候后悔是来不急的。之所以这么说是因为这种情况在建筑领域太多的发生。

古人给我们留下的不仅仅是鬼斧神工、精妙绝伦的建筑艺术,也给我们留下了博大精深的抗震防灾思想精髓为后人提供了思考和研究的课题。