故宮太和殿平身科斗拱周乾攝
【博覽薈】
◎周乾
近日,土耳其發生兩次7.8級地震,震級大,破壞力强,導致千年古堡加濟安泰普古堡被毀。從建築結構角度而言,加濟安泰普古堡屬於砌體結構,主要特點即以磚石作為建築覈心資料,磚石之間通過砂漿黏結,因而當砂漿受到地震破壞時,易誘發建築整體破壞。相比而言,木結構建築以彈性性能良好的木材為覈心資料,且擁有平擺浮擱柱根、榫卯節點、斗拱等多種抗震構造,因而能够抵抗較為强烈的地震。故宮便是其中的代表之一。
故宮古建築的立柱柱根並不插入地下,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,在强大的地震力作用下,柱根很容易折斷並造成古建築破壞。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築整體的自振週期,可產生隔震效果。所謂自振週期,就是物體振動一個來回所用的時間。一般現代建築的自振週期與地震波的自振週期接近,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。而柱根平擺浮擱的管道,使得古建築在地震作用下運動幅度變大,往返時間變長,自振週期遠大於現代建築,因而有利於避開地震波峰值的衝擊,而產生隔震效果。
故宮古建築的重要特徵之一,即梁與柱採用榫卯形式連接。其中,梁端做成榫頭形式,柱頂做成卯口形式。榫頭插入卯口後,形成穩固的榫卯節點。
從力學角度來講,榫卯節點屬於半剛接節點。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。這種限制力源於榫頭與卯口之間的擠壓、咬合。半剛接節點非常有利於古建築抗震。因為榫卯節點有限的轉動能力,有利於减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,减小結構整體破壞。其機理在於,當地震能量作用於古建築時,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。
斗拱為我國古建築特有的組成部分,是位於柱頂之上、屋簷之下的,由鬥形、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,並產生往復運動,猶如一個運動的機构體系。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。
故宮古建築優秀的抗震構造,是我國古代工匠卓越建築智慧的體現。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)