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扛住222次地震后,故宫很骄傲地说:我如此坚挺,全靠这些黑科技

原标题:扛住222次地震后,故宫很骄傲地说:我如此坚挺,全靠这些黑科技

说在开头的话

2008年5月12日14时28分,四川汶川县发生8.0级地震。极震区烈度达到10~11度。截至7月15日12时,四川汶川地震已确认69197人遇难,374176人受伤,失踪18263人。紧急转移安置1514.684万人,累计受灾人数4554.7565万人。直接经济损失高达8451.4亿元。

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1679年9月2日(清康熙十八年七月二十八日),中国河北省北部燕山地震带发生大地震。震中位于河北省大厂县夏垫镇。此震是中国东部人口稠密地区影响广泛和损失惨重的知名历史地震之一,也是北京附近历史上发生的最大地震。震级估计为8级,震中烈度11度,破坏面积纵长500千米。史料记载如下:“巳时地震,从西北至东南,如小舟遇风浪,人不能起立,城垣房屋存者无多,四面地裂,黑水涌出,月余方止,所属境内压毙人民甚众“。

在此之前,1484年的居庸关6.5级地震,1665年1月16日的通县6.75级地震,破坏力度同样巨大。从1420年紫禁城(明故宫)建成截止到今天的将近600年里,这座人类历史上最大规模的木结构建筑群历经222次大小地震(平均3年一次),却始终屹立不倒(这里排除火灾或其他因素导致的重修),堪称中国乃至世界建筑史上的一个伟大奇迹。

参考图

上个世纪70年代的唐山大地震和2008年的汶川大地震,给中国人留下了难以平复的创伤。大量用现代建筑材料和技术(主要指砖土、砖木、砖混、钢混结构)修建的房屋在转瞬之间便被大自然的力量夷为平地,几十万寄居在这些建筑物里的生命,眨眼消失。而那座600年前修建的古老建筑,在没有任何现代技术理论的支撑下,只用木材,青砖,条石等几种简单建筑材料修筑的明故宫,却始终巍然挺立,这或许向我们暗示着这样一个事实:看似用陈旧的技术、简单的材料修筑起来的明故宫或许并不简单。

石质白塔被地震摧毁

大地震为什么拿紫禁城没办法?以故宫太和殿里的建筑黑科技为例来探讨

作为帝国的核心,紫禁城从修建一开始便倾注了朱棣极大的热情。这个没有按照一般套路谋得皇位的帝国统治者,急切寻求一切手段来维持自己的政治权威与合法性。建立一座规模庞大,色彩庄严,用料考究的宏伟宫殿,不仅能向全国民众证明自己的力量与手腕,还能利用建筑承包商来联通权贵们的经济需求,从而形成稳固的利益团体。无论从哪个角度来看,修建紫禁城的目的已经不那么单纯了,它几乎已经与整个帝国的命运,大部分权贵的前途牢牢绑在了一起。

参考图2

不过,古代中国人的迷信观念似乎一直在提醒着朱棣和他的工程负责人们:象征帝国最高权力的紫禁城,必须要牢牢矗立在帝国的核心位置上。一场大火,一次地震所导致的建筑坍塌损毁,可能都是不吉利的,这会让全体国民联想到帝国的命运是否与此次灾异有着某种微妙的联系,从而对统治者的能力或权威产生质疑。为此,这座大型木结构建筑群,在设计初始便考虑到了这些细节问题。比如遍布宫殿各个角落的大水缸、水井与内河,就是为了在遇到火警时,方便救援人员能及时控制灾情。而面对地震这个不可抗因素对紫禁城建筑结构的威胁,设计者和建造者们又将会如何去做呢?谈艺下面将以太和殿(明永乐称奉天殿、皇极殿,俗称金銮殿)的建筑结构为例,谈一谈明代的一些建筑“黑”科技!

1:故宫的地基是“海绵”做的

这是一个很奇怪的比喻,因为谁也无法相信,这座长64m,宽37.2m,高26.92m,面阔11间,进深5间,建筑面积2381㎡的庞大建筑竟然建立在一块如同“海绵”的基础之上。在我们的常识中,高楼大厦一定要有一个坚固、深厚的基础,这样才足以承载巨大的建筑结构压力。正如我们很难在沼泽地、松软的沙地中寻找到高大的树木一样,巨大的建筑物同样无法在松软的基础上建立起来。然而,故宫的设计者们,却并没有按照常识来建造这座神奇的宫殿,他们偏偏要尝试用另类的方式来挑战大自然的一般规律。

1977年,有关部门在对故宫进行维护保养时,就曾钻探勘察了太和殿、中和殿、保和殿的地基。结果发现,宫殿的基础构建方法十分复杂,除了具备一般建筑物地基所需要的夯填工序外,还增加了木桩加固填土层→木筏承台→糯米汁层→灰土层(低压缩性持力层)→黄土层→碎砖层→卵石层。在木桩填土层,木桩可以增强填土的夯实度,保证夯填土的密度均匀和整体性。在地震作用下,大量的木桩可以让整个填土层的下沉力均匀作用到持力层,从而避免局部的塌陷,有效防止上层建筑开裂或倒塌。而且木桩本身也是柔性的,在垂直作用力的影响下,自身的形变也可以缓冲一部分压力。

故宫的台基剖面

在木桩填土层的下部,是木筏式承台。即用大量圆木制成一张类似于筏板的转接层。当地震作用力传导到木筏承台时,圆木制式的筏板开始做水平方向的滑移,这种水平方向的滑动可以抵消一部分由地震带来的垂直方向作用力,增大上部建筑结构的运动周期。为了让这种水平运动的效果发挥到最大,故宫的设计者们在木筏式承台的底部,与灰土层相接处还增加了一个糯米汁层,因为糯米汁的柔性和黏性,不仅可以增加木筏承台与底部灰土层的粘接力,还大大加强了水平滑移效果。从而在最大可能的程度上抵消了地震带来的垂直作用力,降低上部建筑的受力程度。

我们或许可以这样想象,把木桩填土层,木筏式承台当成一块海绵。当我们用力下压这块海绵时,它本身开始在压力的作用下发生形变。而这种形变是水平方向的,用我们的视觉感知也可以做出这样的判断:海绵被压扁了。实际上,木桩填土层和木筏式承台正是故宫下面垫的一块海绵。而那一层糯米汁,更像是在海绵的底部涂了一层粘稠度极高的润滑油。

需要说明的是,修筑地上故宫建筑只用了四年的时间,而准备材料,建设地基的相关工程,当局足足花了十年的时间。

2:故宫里的上百万个“刹车”:榫卯式阻尼器

榫卯结构是中国古代建筑里的重要施工方式。在距今7000年前的河姆渡遗址里,那些古老的栏杆式建筑就已经开始采用榫卯来加固连接房屋的墙、梁、柱了。而且,这种榫卯结构(企口)还运用到了当时的船板制造上,为古代人尝试远洋航行打下了坚实的基础。到了1406年(故宫修建之前),这种古老的建筑工艺已经被匠人们发挥到了极致,大型木结构建筑里,古代中国的匠人和设计师们很少采用木钉、金属钉来连接加固结构,他们中大部分人都不信任钉子的作用,认为榫头与卯眼的“亲密”连接才能带来更加长久的稳固。当然,事实也是如此。

故宫用榫卯连接的梁

以故宫太和殿为例,整个宫殿的梁、柱、屋架几乎都采用了榫卯的方式进行连接加固。太和殿榫卯节点形式有很多种,但归纳起来可分为燕尾榫和直榫两种节点形式。燕尾榫又称大头榫、银锭榫,它的形状是端部宽、根部窄,与之相应的卯口是里面大、外面小。它常用于拉扯联系构件,如檐枋、额枋、金枋、脊枋等水平构件与垂直构件相交部位。燕尾榫的安装方法通过上起下落进行,安装后与卯口有良好的拉结性能。直榫形状特点是榫头端部和根部一样宽,主要用于需要拉结,但无法用上起下落方法安装的部位,如穿插枋两端、抱头梁与金柱相交处、由戗与雷公柱相交处、瓜柱与梁背相交处等,一般用拉结方法安装。

当地震发生时,太和殿主体建筑结构中的大量榫卯节点开始产生耗能作用。因为榫头和卯眼之间是一种半刚性连接,当有作用力施加于建筑结构时,榫头和卯眼之间就会转动,从而产生摩擦滑移的能耗来抵消地震的作用力。而且,榫卯木结构本身是可以受外力作用而产生较大形变的,在地震的反复荷载作用之下,木结构的榫卯节点就像一个个灵活的关节,让建筑顺着作用力而调整自身的结构,用“武林高手”的话来说,这叫“以柔克刚”。

榫卯的受力分析

我们观察一辆经常骑行的自行车时,往往会发现它前后轮橡胶材质的刹车垫都已变形磨损,这是因为:刹车垫在阻滞高速运动的车轮时,会被车轮和自身产生的滑移摩擦力挤压变形。而榫卯节点中榫头和卯眼的关系,如同刹车垫和车轮的关系。大量的“刹车垫”所产生的阻尼作用,大大降低了地震对建筑的影响。

3:用弹簧托起的屋顶,太和殿的溜金斗拱

斗拱的建筑营造方法同样有着十分悠久的历史,在春秋时期或者更早,古代中国人就已经开始设计并应用斗拱来提高建筑物的耐久性和稳定性。这里,谈艺有必要先简略地介绍一下斗拱的设计思路和应用方法,以便于更好地理解故宫溜金斗拱的作用。一个基于事实的陈述大概如下:大部分建筑的主体是由墙体、梁架、受力柱、和屋面组成的。它们各自的作用均有所不同,但又唇齿相依,互为关联。其中,屋面的主要作用就是防止雨水,日照,风蚀等自然因素对建筑物内部产生破坏,当然,最终的目的还是让人在室内居住得更加舒适。

但还有一个事实是这样的:屋面必须要架立在墙体、立柱、和梁架上。也就是说,屋面的覆盖范围始终要受限于墙梁柱的最终边界。那么,裸露在外侧的墙梁柱必然会遭受自然环境的直接影响,加速其老化的进程。为此,增加屋檐的挑出长度,扩大屋面的覆盖范围就显得十分必要了,只有这样,屋面才能保护裸露在外侧的建筑主体,延长整个建筑物的使用寿命。斗拱也因此被古代中国人发明创造了出来。为了更好理解斗拱的作用,谈艺特地绘制了一张图来方便读者更好地加以理解。

极大增加了外檐挑出宽度和稳定性

到了明清时期,斗拱的形制已经发生了巨大的改变。唐代典型的大屋檐设计已不再是主流,斗拱当然也不能只是为了增加挑檐的宽度而存在了。在故宫太和殿里的溜金斗拱,层层叠加在梁柱之上,斗拱本身由下而上逐渐加大,当与屋面接触时,斗拱的面积已经扩大了几十倍。我们可以做这样一个联想:把斗拱的底部比作一个人的拳头,把斗拱上部比作一个人的手掌,手掌和拳头比较起来,自然是手掌更能增加屋面的稳定性及保持下部受力结构的整体性了。故宫力的溜金斗拱最为重要的一个作用是,它依靠这些层层叠加的木构件(犹如一块块弹簧片),把地震能量在木构件自身的形变和摩擦中消耗掉了。

斗拱的受力分析

4:会跑的柱子,太和殿的金丝楠木“大柱哥”

由于篇幅所限,而且说句实在话,太过理论性的介绍确实不遭人待见。所以,谈艺就用另外一种方式跟大家介绍一下太和殿的柱子吧。太和殿的柱子大部分都是以金丝楠木作为主材的,这种木料特别贵,它们成材需要上千年的时间(大器晚成?)。而且从砍伐、运输到加工所需要耗费的人力物力也忒巨大。所以呢,财大气粗的永乐帝当时就拍板了,咱只选贵的,不选好的(开个玩笑)。当然,贵有贵的道理,谁让人家即硬气,又有韧性,而且还自带防腐防开裂,外表奢华气味芬芳等诸多附加属性呢?

故宫浮搁柱与一般深埋柱的受力对比

更加奇葩的是,太和殿的柱子是可以移动的(柱底浮搁在柱墩上),而且也不是垂直竖立在地面上(柱头与柱身偏移4.5度)。当地震来临时,这些可移动的柱子会随着整个建筑结构来回滑移,一方面可以避免自己被摆动的势能折断,同时,也可以利用与地面的摩擦来抵消一部分地震势能。而与地面呈一定角度竖立的柱子在滑移过程中会自行调整底部的位置,避免在地震后过多偏离原来的柱墩。嗯~~太复杂的作用力计算公式咱在这就省略了吧。

说在结尾的话

总结一下太和殿包括故宫之所以抗震的原因,大致如下:(1) 结构布局合理。( 2) 基础黏土材料有利于上部结构减震; 基础处理技术及高台有利于缓冲地震波传向上部结构。( 3) 柱底平摆浮搁可产生滑移减震效果; 柱身侧角可提高结构整体稳定性。( 4) 榫卯节点及斗栱各构件间的摩擦和挤压可耗散部分地震能量。( 5) 梁架低矮,可满足地震作用下的抗滑移及倾覆要求。( 6) 屋顶厚重,整体性强,有利于提高太和殿结构的稳定性。( 7) 墙体宽厚,可抑制地震作用造成的木构架过大侧向变形。

本文着重向读者介绍了(2)(3)(4)这三点4种抗震机制的相关原理和分析,实际上,中国古代的建筑理论水平是十分先进的,某些营造技法,直到今天仍然被广泛应用在建筑的各个领域。对于部分国人评价古代中国没有所谓的科学,我想引用当代著名现代主义理性建筑大师马里奥•博塔的话来说:你们(中国建筑师)没有必要生搬西方的东西,只要把故宫研究透就够了。你看,故宫只有两三种色彩、两三种建筑材料,用这么简单的东西却营造出如此震撼人心的建筑环境!

因本人水平有限,文章中不足之处在所难免,切盼专家老师予以指正,此致敬礼!

参考文献

周乾、闫维明、纪金豹《故宫太和殿抗震构造研究》

周乾、 杨娜、 闫维明、淳庆《故宫太和殿一层斗拱水平抗震性能试验》

崔瑾《太和殿斗栱构造浅析》

蒋博光《中和殿室内及三殿地质勘探实录》

王天《古代大木作静力初探》返回搜狐,查看更多

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极震区 河北省北部 大厂县 夏垫镇 明故宫
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