故宫古建筑的防震科学

故宫太和殿平身科斗拱 周乾 摄

近日，土耳其发生两次7.8级地震，震级大，破坏力强，导致千年古堡加济安泰普古堡被毁。从建筑结构角度而言，加济安泰普古堡属于砌体结构，主要特点即以砖石作为建筑核心材料，砖石之间通过砂浆黏结，因而当砂浆受到地震破坏时，易诱发建筑整体破坏。相比而言，木结构建筑以弹性性能良好的木材为核心材料，且拥有平摆浮搁柱根、榫卯节点、斗拱等多种抗震构造，因而能够抵抗较为强烈的地震。故宫便是其中的代表之一。

故宫古建筑的立柱柱根并不插入地下，而是平放在一块石头的顶面。该石头称为柱顶石，而柱根与柱顶石的连接做法称为平摆浮搁。一方面，木材在封闭的环境中容易糟朽，立柱柱根若插入地底下，很可能因为空气不流通而糟朽。另一方面，这也是隔离地震的需要。若柱根插入柱顶石内，在强大的地震力作用下，柱根很容易折断并造成古建筑破坏。而平摆浮搁的做法，使得在发生地震时，柱根反复在柱顶石表面运动，不仅不会折断，而且会产生“四两拨千斤”的效果。另柱根侧面与柱顶石侧面有一定间距，可以保证柱根始终在柱顶石表面往复滑动，而不掉下来。

从地震工程学角度讲，平摆浮搁增大了古建筑整体的自振周期，可产生隔震效果。所谓自振周期，就是物体振动一个来回所用的时间。一般现代建筑的自振周期与地震波的自振周期接近，在地震作用下的振动幅度要放大，产生类似共振效应，因而容易受到破坏。而柱根平摆浮搁的方式，使得古建筑在地震作用下运动幅度变大，往返时间变长，自振周期远大于现代建筑，因而有利于避开地震波峰值的冲击，而产生隔震效果。

故宫古建筑的重要特征之一，即梁与柱采用榫卯形式连接。其中，梁端做成榫头形式，柱顶做成卯口形式。榫头插入卯口后，形成稳固的榫卯节点。

从力学角度来讲，榫卯节点属于半刚接节点。所谓半刚接节点，即节点不是完全固定，而是可以转动，但受到一定限制，不能随意转动。这种限制力源于榫头与卯口之间的挤压、咬合。半刚接节点非常有利于古建筑抗震。因为榫卯节点有限的转动能力，有利于减小梁柱构架的晃动幅度。不仅如此，榫头与卯口之间的相对滑移、旋转等运动，可以耗散部分地震能量，减小结构整体破坏。其机理在于，当地震能量作用于古建筑时，可被转化为3个部分，即构架变形的变形能，构架破坏的内能和构架（榫卯、斗拱等构件）运动的动能；当地震能量、构架变形能都不变时，榫卯节点运动产生的动能越大，则构架的内能越小，因而受到破坏的程度越小。

斗拱为我国古建筑特有的组成部分，是位于柱顶之上、屋檐之下的，由斗形、弓形的木构件层层叠加起来的组合木构件，其外形犹如一个个倒立的三角形。

发生地震时，斗拱的各个构件之间互相摩擦、挤压，并产生往复运动，犹如一个运动的机构体系。从能量守恒角度讲，地震波的能量传到斗拱位置时，主要分成了2个部分的能量：斗拱的内能及斗拱的动能。每个斗拱由上百个小构件组成，它们犹如机器的零件一样，在地震作用下不断产生各种运动，耗散了大量的地震能量，从而使得斗拱内能的比例很小，因而斗拱在地震作用下几乎不会产生破坏。事实上，大量的古建震害勘查结果表明，斗拱在地震作用下一般保存完好。

故宫古建筑优秀的抗震构造，是我国古代工匠卓越建筑智慧的体现。而其中包含的古代科学机理，则值得我们去研究与弘扬。

（作者/周强系故宫博物院研究馆员）

（来源：科技日报 ，微土木人荐读 ）