「牆倒屋不塌」是真相還是假象?聊聊我國「以柔克剛」的建築結構

2020-12-22 科學漫遊者

在古建行當有一個通行的諺語就是「牆倒屋不塌」,其大概就是講在古代的時候遭遇了十分強烈的地震使得建築中的牆壁都倒塌了但是其的木構屋架仍然屹立不倒,也就是說有著很強的抗震能力。

在2008年5月12日的時候,在我國的四川汶川發生了強烈的地震,這場地震對各個地方的眾多的珍貴文化財富造成了空前的損壞。而這場地震之後,關於「牆倒屋不塌」的中國古代建築的研究達到了一個空前的高度。

一.我國古代建築的基本情況

我國地廣物博,有著960萬平方千米的國土面積,正是因為有著這樣的廣大國土,其的地震區也分布十分地廣泛,對我國人民的生命財產安全有著潛在的威脅。而以汶川地震為代表的各個重大地震事故也的確給中國的國民帶來了難以挽回的巨大損失。這和其的房屋建築抗震性能不高有著巨大的關係,我們沒有辦法阻止地震等自然災害的發生,但是我們可以竭盡全力將自己的損失降低到最少,而想要從根本上規避自然災害帶來的巨大損失,我們就一定要從提高建築的抗震性能入手,而我國古代的建築中木結構因為其有著很良好的柔韌性和持穩性,所以也就有著很好的抗震性能。

我們追溯中華民族生存的源泉,遵循古代時期沿襲的文化傳統可以發現木結構的房屋是中國古代建築的一個重要的物質遺產。我們的先輩是有創造性的,智慧的先人,而古建築可以稱得上是當今世界上流傳著的最偉大最具有創造性的發明之一,而古建築中的古木結構是最具有特色的一種,而我們也可以發現中國古代的佛寺以及觀音閣等都是以古木結構為主的。青銅和石器時期,我國的木材資源十分的豐富,在那個時候的生產力和環境的條件下,人們就很智慧的選擇通過使用木材來搭建房屋,而經過古人們不斷的嘗試,他們漸漸意識到了使用木材來搭建房屋的各種優點,並且漸漸總結出了很多的經驗。

二.木材作為最基本的建築材料

1. 木材的基本分類情況

據相關的一些文獻,我們可以發現樹木一般均按樹木外觀分為針葉樹種和闊葉樹種兩種,針葉樹種常用的有松、柏、杉等,其一般樹幹通直高大,容易取得比較大的原木,其紋理順直,材質均勻,木質較軟容易加工;而闊葉林的大致有樟木、榆木、桐木和青楊等等。

2.木材強度的影響因素

我們通過一些文獻的研究可以發現對木材強度的影響因素有著很多,其主要是受到了木材材質、含水量、溫度、負荷時間和缺陷等等。

三.木結構的基本形式

木建築結構的三種特有的基本形式四抬梁式、穿鬥式以及井幹式,其基本以木材、磚瓦為最主要的建築材料。在春秋時期的時候形成的抬梁式的結構到了唐朝的時候就已經漸漸走向了成熟,我們在宮殿佛寺等大型的建築中就可以發現一二,而《營造法式》的大木作部分就很有條理地講解了抬梁結構,而因為其具有進深較大,所以其常常被用在建造殿堂以及宮殿等大型的建築物中。

而另一種結構形式是穿鬥式,其在漢代的時候已經很成熟了,其常常被當時南方的大部分地區人們所採用。和抬梁式有著異曲同工之妙之處的是其同樣是沿著房屋的進深方向立立柱,而不同的是其間距較密集,柱徑略小,且立柱直接承受著一些的重量,就不用設置架空的抬梁,與此同時數層「穿」貫通各柱,組成了一組組的構架。

最後的井幹式的木構架就比較原始和簡單了,其是通過木材交叉堆疊而成的,其把圓木或者半圓木兩端開凹槽,組合成矩形的木框,然後層層地疊加在一起成為牆壁,而框架承重,這也就使得其圍成地空間像井而就被稱為井幹式。這樣的結構常常需要大量的木材,而且在絕對尺度和開設門窗上都受著木材長度等種種的限制,所以其多是出現在東北的林區和西南的山區地帶。

四.古建築的結構類型和特點

在我國古代的建築起的結構體系主要是木構架,其的主要建築材料是木材,而其的承重的骨架是柱和梁,當然也會包括一些其他的材料作為填充物。而因地制宜也是其的特色之一,不同的地方因為不同的氣候以及不同的地質結構結合自身的特點有一定的變化,而正是這樣因地制宜的特色使得很好地提高了抗震柔韌性。也就是說,木結構的古建築主要是按照木構架的結構體系,選擇材料、造型特點和布局等多個方面來賦予建築可以抵抗地震帶來的傷害,其就有了優良的抗震性。

木結構的房屋主要具有以下的各個特點:

(1). 木結構具有很好的抗震優勢,其首先表現在木材彈性模量低,材質輕,韌性大,這都使得其有著很強的彈性恢復能力,對於突然和周期性荷載的到來都有著很強的抵抗能力。其次表現在木框架有很多根杆件和榫卯節點,其主要表現在各個杆件和節點主要會在地震來臨的時候吸收地震的能量,並且其可以通過多個路徑來釋放地震能量。

(2). 在之後的表現在於木結構的建築不僅僅可以節能也可以保暖,其的保溫效果甚至好於混凝土和鋼材,而其的孔隙就是最好的隔熱體,這也就使得其有著很好的保溫性能。而且其還會比使用混凝土和鋼材更加節約空間和材料。比如,木材僅需要混凝土厚度的十五分之一就可以取得和混凝土一樣的保溫效果。

(3).除此之外其的恢復性能也很好,木材資料可回收重複使用、取材方便並且很容易就可以適應各地的氣候條件。

(4). 使用木材建造建築也很有利於施工,不僅僅建築木材的工期短暫,與此同時技術也很簡便,設計靈活,後期的維修也很方便。

(5). 用木材進行建造建築其的成本也相較於其他的材料更低,耐久性能也比其他的更加有著優越性能。

而其的結構類型大概分為著幾個部分:

1. 特有的結構體系

在古代有著其特有的抗震性結構我們稱為抬梁式的結構體系,這種結構就是在地基上立柱,在柱上架梁,按照這樣的結構向上循環向上,在垂直方向也就漸漸形成了上小下達的構架。而經過很多的實踐也證明,這樣的結構有著很好的抗震性,而另一種有著好的抗震性能的是穿鬥式,其的大概特點就是柱子間的距離很緊密,房屋的構架只是靠著一根柱徑較細的落地柱和短柱直接構造而成,這其中不需要其他的架梁。

2. 臺基的應用

我們研究古代的建築發現,臺基的運用可以減少剪切力對於建築基礎的一個損壞,後世普遍稱這樣的臺基叫做「整體浮筏式基礎」其的最大特徵之一就是上層的龐大的屋頂,是整個複雜結構的大屋頂的需要大量的附屬構件,其這樣就可以增加屋頂和整個房屋的整體結構性,最終也就完成了對於房屋穩定性提高的可能,使得抗震性能得到了很大的提高。

3. 特有的構架形式

在中國木結構古建築中有著很顯著特色的就是由鬥型和拱形構件構成的特有的構架形式,這樣的架構形式也對後來我們的建築帶來了十分深遠的影響。而這樣的結構的最主要的性能是可以使得柱子和屋架間的有著一個很好的承接,這就使得其很好地承接梁架和屋面的一個重荷,其也就使得這樣的重荷就慢慢地傳遞到了柱子上,之後就通過柱子傳遞到地基上,這就使得其可以承上啟下,把重荷很好的互相傳遞,通過這樣的架構可以很有效地削減剪切力對於建築物的一個巨大衝擊力,使得其在地震來臨時可以很有效地發揮其變形削減能的一個巨大的作用。

五.木結構的抗震性能分析

1. 古建築的建築材料

在之前的講述中我們可以發現,木材是我國建築工程中最為普遍運用的一個建築材料,而我國的木材建築技術和木材裝飾在工藝上有著很高超的水平以及很鮮明的自身特色。比如我們可以發現聞名天下的天下第一山西應縣木塔、天壇祈年殿等都是很有我國特色的木結構古建築。我國的古建築有著很好的抗震性能,其不僅僅和其的構架結構有著很大的作用,我們可以發現木材自身的特殊性和其的優越性有著很大的關係。因為木材的可塑性和彈力性都很好,這就使得其能夠承受劇烈的衝擊震動作用。

而另一個重要的作用,就是木材也具有著很好的抗拉性和抗彎性,其在受到彎曲或者剪切外力的時候就不會對自身的纖維受到影響,這也就使得其在受到地震波強烈的叢集的時候,木材不會立刻被地震波損壞,再加上其有著很好的柔韌性於是木材就有著很好的抗震性能。

2. 古建築的結構選型和建築布局

我們可以發現我國古代的木結構建築不管是單體建築還是群體建築在平面布局上大多都是呈現出對稱構圖,其大概就是說其將重要的建築放置在配置構設的中心軸線之上,而在其的兩側以及對面上就會分布一些次要的建築。

其的另一種布局就是在軸線上建立主要建築和次要建築,而再加上很多個單一的建築,這就漸漸使得建築的布局呈現出完整。這樣的對稱均勻的建築布局在很大的程度上平衡了地震的衝擊力,而其在地震來臨時,也就是說其在受到地震波的襲擊的時候,各個層面的平面尺寸和側面的剛度都不會受到很大的變化,也就是說損害程度相對較小,有了很好的抗震性能。

3. 古建築的構造形式

我國古代的建築的一大優越性就在於其很早就有了現代房屋框架結構中的各種優越性能,也就是說現代的房屋很多都是從我國古代的建築結構特點的精華中進行了繼承和發展。古代的建築多是採用以柔克剛的一個方式來實現對於地震的一個抵禦,其通過巧妙地鉚合連接每一個構件和設備,達到各個構件之間可以實現柔韌連接的目的。而其在那個時候的柔韌性能也比現在的很多框架結構更具有優勢性。而除此之外,柱子升起和側角等各種手段使得建築的重心降低並且也向內傾斜,這也就使得結構的整體性能大大地得到了提高,這也就提高了建築的隔震性能。

六.現在的繼承和發展

我們可以發現現在的木結構建築除了發揚了古代的建築物中的抗震的優點,其也增加了很多的抗震的舉措,比如輕型木結構就利用剪力牆傳遞力和承重,膠合木框架結構在節點處採用抗震五金件、牆體加固斜撐等等,而另一個飽受地震迫害的國家日本也發明了抗震滑移牆也讓現代的木建築變得更加具有抗震性能和安全保障。

七.小結

我們可以發現,我國是一個地震區廣為分布的國家之一,古代的時候的建築多採用木結構,其有著韌性大、自身結構輕、彈性回復性強等多種優勢。

「牆倒屋不塌」是真相還是假象? 也是各個專家學者都有著自己的見解,而我國「以柔克剛」的建築結構的確也是古人們智慧的一大重要體現,我國木結構古建築結構,構造藝術和建築風格不論是在外觀上還是在內部的承受重力方面都實現了高度協調統一,也就是說其實現了很完美的和諧,而這樣的特點也很充分地體現了我國古代的手工匠人在建築的承受力量分析和材料選取等各個方面的重要造詣,而其總結下來的經驗也為我們後世的建築設計和材料的選擇上提供了很多行之有效的建議,使得現在的木結構也在抗震上有了新的繼承和發展。

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