周 乾

近日，土耳其發生兩次7.8級地震，震級大，破壞力強，導致千年古堡加濟安泰普古堡被毀。從建筑結構角度而言，加濟安泰普古堡屬于砌體結構，主要特點即以磚石作為建筑核心材料，磚石之間通過砂漿黏結，因而當砂漿受到地震破壞時，易誘發建筑整體破壞。相比而言，木結構建筑以彈性性能良好的木材為核心材料，且擁有平擺浮擱柱根、榫卯節點、斗拱等多種抗震構造，因而能夠抵抗較為強烈的地震。故宮便是其中的代表之一。

(資料圖)

故宮古建筑的立柱柱根并不插入地下，而是平放在一塊石頭的頂面。該石頭稱為柱頂石，而柱根與柱頂石的連接做法稱為平擺浮擱。一方面，木材在封閉的環境中容易糟朽，立柱柱根若插入地底下，很可能因為空氣不流通而糟朽。另一方面，這也是隔離地震的需要。若柱根插入柱頂石內，在強大的地震力作用下，柱根很容易折斷并造成古建筑破壞。而平擺浮擱的做法，使得在發生地震時，柱根反復在柱頂石表面運動，不僅不會折斷，而且會產生“四兩撥千斤”的效果。另柱根側面與柱頂石側面有一定間距，可以保證柱根始終在柱頂石表面往復滑動，而不掉下來。

從地震工程學角度講，平擺浮擱增大了古建筑整體的自振周期，可產生隔震效果。所謂自振周期，就是物體振動一個來回所用的時間。一般現代建筑的自振周期與地震波的自振周期接近，在地震作用下的振動幅度要放大，產生類似共振效應，因而容易受到破壞。而柱根平擺浮擱的方式，使得古建筑在地震作用下運動幅度變大，往返時間變長，自振周期遠大于現代建筑，因而有利于避開地震波峰值的沖擊，而產生隔震效果。

故宮古建筑的重要特征之一，即梁與柱采用榫卯形式連接。其中，梁端做成榫頭形式，柱頂做成卯口形式。榫頭插入卯口后，形成穩固的榫卯節點。

從力學角度來講，榫卯節點屬于半剛接節點。所謂半剛接節點，即節點不是完全固定，而是可以轉動，但受到一定限制，不能隨意轉動。這種限制力源于榫頭與卯口之間的擠壓、咬合。半剛接節點非常有利于古建筑抗震。因為榫卯節點有限的轉動能力，有利于減小梁柱構架的晃動幅度。不僅如此，榫頭與卯口之間的相對滑移、旋轉等運動，可以耗散部分地震能量，減小結構整體破壞。其機理在于，當地震能量作用于古建筑時，可被轉化為3個部分，即構架變形的變形能，構架破壞的內能和構架(榫卯、斗拱等構件)運動的動能；當地震能量、構架變形能都不變時，榫卯節點運動產生的動能越大，則構架的內能越小，因而受到破壞的程度越小。

斗拱為我國古建筑特有的組成部分，是位于柱頂之上、屋檐之下的，由斗形、弓形的木構件層層疊加起來的組合木構件，其外形猶如一個個倒立的三角形。

發生地震時，斗拱的各個構件之間互相摩擦、擠壓，并產生往復運動，猶如一個運動的機構體系。從能量守恒角度講，地震波的能量傳到斗拱位置時，主要分成了2個部分的能量：斗拱的內能及斗拱的動能。每個斗拱由上百個小構件組成，它們猶如機器的零件一樣，在地震作用下不斷產生各種運動，耗散了大量的地震能量，從而使得斗拱內能的比例很小，因而斗拱在地震作用下幾乎不會產生破壞。事實上，大量的古建震害勘查結果表明，斗拱在地震作用下一般保存完好。

故宮古建筑優秀的抗震構造，是我國古代工匠卓越建筑智慧的體現。而其中包含的古代科學機理，則值得我們去研究與弘揚。

(作者系故宮博物院研究館員）

來源：科技日報

作者：周 乾

責任編輯：馮崢

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