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1、 浅析中国木构古建筑的抗震力学原理摘要：本文主要介绍了中国木构古建筑的结构特点，并从力学角度上简要分析了建筑的抗震原理，最后总结得出：中国木构古建筑通过构建柔性的整体框架结构体系进行抗震减震。关键词：中国木构古建筑；结构特点；抗震力学原理。中国以木结构为主体的古建筑，因其独有的结构体系和布局原则，在世界建筑之林中独树一帜，风格鲜明。据记载，早在距今 7000 多年前的浙江余姚河姆渡遗址中就发现了兼用绑扎和榫卯的干栏式建筑，在经历了原始社会、商周、秦汉、三国两晋南北朝、隋唐五代、宋辽金元、明清 7 个时期的演变和发展，中国古代建筑木结构的建筑体系逐渐形成，并传播和影响到其他国家。在地震多发的中国
2、，木构古建筑历经千年而屹立不倒，说明它有着一套科学而成熟的抗震原理系统。一、中国木构古建筑的结构特点 1.1 结构类型 中国木构古建筑的主体结构形式多以木构架为骨架，承载着屋顶或上部楼层的重量，四周的墙壁主要起围护作用，只承担自重。木构古建筑的主要结构类型有三种，分别为抬梁式、穿斗式和井干式1。抬梁式（图 1）是一种梁架结构体系，水平构件为梁，垂直的为柱，靠自重稳定建筑；穿斗式（图 2）是用柱距较密、柱径较细的落地柱与短柱直接承檩，柱间不施梁而用若干穿枋联系，并以挑枋承托出檐。这种结构在南方使用普遍，有时和抬梁式构架混合使用；井干式（图 3）是一种不用立柱和大梁的房屋结构。这种结构以圆木或矩形
3、、六角形木料平行向上层层叠置，在转角处木料端部交叉咬合，形成房屋四壁，再在左右两侧壁上立矮柱承脊檩构成房屋。图1 抬梁式结构 图2 穿斗式结构 图3 井干式结构 1.2 结构组成 中国古代建筑的主要类型有皇家宫殿、寺庙殿堂、宅居厅室、陵寝墓葬及园林建筑等，这些大多是由单体建筑组合而成，不论单体建筑规模大小，其造型结构一般由台基、梁架、屋盖三大部分构成，等级较高的建筑在屋顶和梁柱间还会铺设斗栱层：建筑最下面是支撑整个建筑的台基，台基高度受到严格的等级制度制约，据 礼记 中记载：“天子之堂九尺，诸侯七尺，大夫五尺，士三尺。”台基材料取决于建筑的等级，石为上，砖为下。台基装饰丰富，以须弥座形式为最高
4、等级；台基之上是主体屋身，由木制梁柱做骨架，立柱向内微倾（侧脚），把平放的额枋做成向屋角微翘（生起），使屋顶的荷重产生了向心的水平分力，把柱子与阑额的榫卯挤压严实，增加了构架的稳定性；在屋顶和梁柱之间的斗栱是中国古代建筑最具代表性的构件，其作用是将屋盖的荷载传递到立柱。斗栱的种类非常多，常见的有角科斗栱、柱头科斗栱、平身科斗栱、品字科斗栱、隔架斗栱等等，各时代斗栱的形式不同，产生的艺术效果也不同；最上面是屋顶，其屋面做成雅致柔和的曲线，四周屋面均伸出屋身以外，上面覆盖着青灰瓦或琉璃瓦。屋顶的主要形式（图 4）有庑殿、歇山、悬山、硬山、攒尖等，每种形式又分为单檐、重檐2，在此之上又可相互组合成更
5、多的结构形式，从而形成各种独特的建筑风格与形象。图4 中国古代建筑屋顶的主要形式 二、中国木构古建筑的抗震力学原理 2.1 规则的平面布置 我国古代匠人一般很少建造平面复杂的建筑，大多数建筑均釆用长宽比小于 2：1的矩形平面3，其中当心间最大，而两侧的次间、梢间等的面宽依次减小。这样规则的平面形态和结构布局有利于抵抗地震带来的扭矩。2.2 特殊的隔震基础 我国木构古建筑最下面的部分是台基，台基之上是浮搁的立柱，其间未做任何连接。此种构造方式虽然看似危险，实际上却能高效地防止建筑的基础被剪切破坏，降低地震波对上部建筑的冲击，从而产生隔震效果。此外，优雅精美的大屋顶具有相当大的荷载，其自重沿梁柱向
6、下传递，在柱底就会产生较大抵抗摩擦的力，从而提高了构架的稳定性。2.3 消能的减震斗拱 斗拱是由若干斗形的木块和弓形的短枋木相互交接组合而成的，用在柱头顶或额枋之上，起着承托梁架和出挑屋檐的作用。当地震发生时，屋顶与柱之间的若干组内外檐斗拱通过对水平构件的连接，形成一个水平刚度很大的过渡层，它像弹簧一样起着变形消能的作用，从而极大减少了地震对建筑物的破坏。历史上，大多数带斗拱的木构古建筑都能有效地抵抗地震带来的影响。山西大同的华严寺，在无斗拱的附属建筑被地震灾害破坏殆尽的情况下，其具有斗拱结构的主体殿堂却仍能存留下来，这充分证明了斗拱结构对抗震的贡献。2.4 柔性的榫卯连接 榫卯结构体系不用任
7、何金属构件，极为精巧地通过榫（突出部分）和卯（凹进部分）的咬合，限制木构件向各个方向的扭动，构成富有弹性的框架。这种构件连接方式使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体4，不但可以承受较大的荷载，而且允许结构产生一定的合理变形，在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量，从而降低了地震作用于结构的影响。除此之外，高大的楼阁如天津独乐寺观音阁（图 5）、应县木塔（图 6）等，在暗层中设有斜撑，强化了构架对水平冲击波反复作用的抵抗能力；在外檐柱间设置较厚的墙体，起到现代建筑中“剪力墙”的作用。总之，大至建筑群体的布局处理，小至构件断面的尺寸设计，处处都展示出古代工匠们在
8、抗震设计方面的独到见解。图5 天津蓟县独乐寺观音阁 图6 山西应县木塔 三、结语 中国木构古建筑是智慧的先辈们通过长期的实践，进行详细的分析和比较，最后选择和确立下来的一种建筑体系。古建筑充分利用木材弹性的力学性能，通过均衡对称的柱网平面和梁架布置，普遍使用的榫卯节点连接，构建柔性的整体框架结构体系，当地震袭来时，建筑便通过自身的变形消解地震力对结构的破坏能量，从而在一定限度内保障了建筑的安全性。参 考 文 献 1 李飞.清式大木作古建筑斗栱抗震性能研究.西安建筑科技大学，2014 2 何美姣.古建筑屋顶形式及其在当代建筑中的应用.建筑知识，2013;(10):117 3 张锡成.地震作用下木结构古建筑的动力分析.西安建筑科技大学，2013 4 宋晓胜等.中国木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能研究进展.世界地震工程，2014;(01):1222