古建筑抗震研究领域知识图谱可视化分析

地震震害产生的影响日益显著。实地考察汶川灾区发现，古建筑是“整体尚存，露椽落瓦；局部垮塌，毁假存真”。物质文化遗产大多无碍，仿古的建筑倒是损毁颇多。

一是因为古建筑大多结构对称，体型为小于2∶1的矩形结构，这大幅降低了地震对结构的整体扭转效应，使结构各部分的震动一致，几乎无应力集中现象，因而有利于抗震。

二是因为古建筑主要以木材为主，其中榫卯构造是一种柔性结构，各构件间以榫卯相结合，富有弹性，体现了古人“顺应自然、以柔克刚”的工匠思想，中国人以柔性的土木结构抵御震害。

三是我国古建筑都属于被动型抗震，位于山西省应县城西北佛宫寺内的应县木塔，外看5层六檐，实际上却是9层，多出的几层内外柱间全是斜撑梁连接。也就是应县木塔完全靠抗震结构构件的破坏来抵抗地震，古建筑在大地震的振动下，先是抗震构件间出现裂缝，然后裂缝会消耗地震的能量，其代价就是结构会发生损坏，因而需要修复。事实证明，纯“刚性设计”与纯“柔性设计”都存在一定缺陷，现代抗震技术就是在此基础上才发展出了“延性设计”思想。

与国外研究相比，西方建筑史为“石头史”，中国为“木头史”，国外起步更早，研究颇具系统风格，已有“石头史”建筑的历史、设计、社会学研究等；我国有关古建筑抗震研究起步相对晚，研究面较窄。本研究通过使用可视化工具的分析方法直观地描述古建筑抗震研究文献，同时阐述国内古建筑抗震技术的演进历程，以此探究存在的不足及未来研究的趋势和方向。

1研究概述

1.1研究对象

我国自古以来土地辽阔，资源丰富。建筑历史悠久，不同地区有不同的建筑风格，但古建筑群的布局、空间、结构、建筑材料或装饰艺术都有别于西方，享有世界声誉。 我国古建筑有许多类型，包括宫殿、祭坛、寺庙、佛塔、民居和园林。本研究中的古建筑概念为中国传统文化和民族特色的传承载体，是物质文化遗产，有别于西方，享誉全球。

1.2研究方法与数据来源

本研究采用Drexel University陈超美教授开发的可视化软件工具——CiteSpace 6.1.R3。该工具基于Java语言拥有自助式数据分析功能，有大量可展示的视化图表且易操作，作为一种发展趋势和一种热门的研究工具，在一些研究领域得到了广泛应用。CiteSpace使用信息可视化方法、数据挖掘算法和文献计量学相结合的基本原理，创建可视化图谱，并分析研究对象间的共引和共现关系。

采用高级搜索选择“文献”标题检索，检索条件如下：以“古建筑”和“抗震”为检索词进行检索，检索时间范围为1982年6月至2022年6月，共计40年，共获得文献523篇（2022年9月4日检索）。剔除其中的会议、报告、报纸、新闻宣传、励志故事，最终得到有用文献497篇。为获得研究样本数据库，以CiteSpace要求的参考格式导出和转码主题 文献。

2发文趋势、作者、机构与研究进程

2.1发文趋势

按年分布的出版物数量——图1显示了历年来古建筑抗震文献在中国知网上发表文章数量的变化。由图1可知，第一批研究文献发表于1984年，1984—2000年仅发表了10篇文章。自2001年以来，发表文章数不断增加，2018年发表文章数达到顶峰，达到40篇。由此可以看出我国古建筑抗震研究受到了中国研究人员的广泛关注。

图1?发文趋势

2.2作者可视化分析

在CiteSpace软件中，将节点类型设置为“Author”，得到作者联合网络知识图。

我国古建筑抗震研究领域有名科学家的学者以周乾、闫维明、薛建阳、赵鸿铁与纪金豹等人为代表。研究方向涉及古建筑平摆浮搁柱底、榫卯连接、斗拱、单檐歇山式梁架、瓦顶等构造框架抗震研究，如周乾 等的论文《单檐歇山式木构古建抵抗强震分析》；马口铁加固古建筑榫卯节点后木构架的抗震性能研究，如闫维明等的论文《马口铁加固古建筑抗震试验》；斗拱对钢结构仿古建筑檐柱力学性能的影响研究，如薛建阳等的论文《斗栱对钢结构仿古建筑檐柱抗震性能的影响分析》；目前古建筑木结构结构性能研究领域中存在的问题和尚未涉及的方面，如赵鸿铁等的论文《古建筑木结构的结构性能研究综述》。另外，其他学者中还出现对于西安城墙永宁门箭楼复建指导、古建筑木结构的修缮加固理论依据以及古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考等 文献。 分析发现，存在部分突出的团体与个人学者，使得作者联合网络知识图呈现出“局部集中、大多离散”的分布形式。这表明，中国古建筑抗震领域的研究人员在合作与学术交流方面存在联系不充分的情况。

2.3机构可视化分析

利用CiteSpace软件分析，将节点类型设置为“机构”，得到组织公共网络知识图。

国内研究古建筑抗震的单位组织主要是大学，文献贡献量位居前三的分别是西安建筑科技大学土木工程学院：130篇；故宫博物院：33篇；太原理工大学：29篇。而重点实验室及研究所等单位在古建筑抗震研究领域略微不足，文献数量排名前十中主要研究组织仅为北京工业大学工程抗震、结构诊治北京市重点实验室及中国地震局工程力学研究所，文献数量分别为27篇、9篇。 由此可见，目前我国古建筑抗震研究的方向和内容集中在理论结合试验研究、概念设计及结构性能研究综述等方面，工程实践类侧重较少；问题与作者联合网络知识图类似，研究组织间合作不足且关系离散。

2.4研究进程可视化分析

利用CiteSpace软件中“关键词”节点类型的分析功能，生成了关键词的时间线图谱，用于研究关键词的演化趋势，该图体现时间层面上关键词的发展和相关性。同时结合我国地震灾害的事件及举措，通过重新绘制，生成关键词时序图谱，用于研究关键词的时间演化和变化趋势。

在此基础上，将1984年以来古建筑抗震研究进展分为5个阶段：（1）起步期：1984—1990年；（2）成长期：1991—2000年；（3）成熟期：2001—2008年；（4）快速发展期：2009—2019年；（5）多元发展期：2020年至今。

（1）起步期：1984—1990年。改革开放以来，国家在地震科技领域投入的资金越来越多。为了改善地震观测工作，采取措施如增设地震观测台站数量、提高观测质量等，同时，数字化积累和传输观测数据也已成为地震观测的基础操作。

福建省地震局和福建省晋江地区地震办公室于1983年10月编辑了《石结构建筑物防震抗震科普画册》，已于1984年初出版。该画册以建筑结构抗震为视角，全面收集和介绍了各种古今石结构房屋等建筑， 同时呈现了1604年泉州海外8级地震和1918年广东南窝7级地震发生时的历史背景。介绍安平桥、姑嫂塔、日湖塔和崇武古城等的“抗震史话”。 结合1976年唐山大地震背景，我国与古建筑相关领域的抗震研究在此期间处于起步时期，关键词主要聚焦于“建筑物”和“石结构”，研究时间主要集中在1984年，而其他时间段由于缺乏新理论和实践经验，相关研究相对空白。

（2）成长期：1991—2000年。20世纪80~90年代，地震观测数字化改造不断推进，自20世纪90年代起，计算机和互联网技术的迅速发展，已被广泛应用于地震监测系统。由于与建筑抗震相关的研究不断自我完善并响应国家发展需要，全国范围内古建筑抗震研究也跟上了时代的步伐，实践研究也逐渐依次展开。 这个时期，基础隔震、滑动隔震的建筑设计是主要研究方向。与以往不同，这是对新时代研究问题的深刻分析，从抗震技术的新突破、隔震减震控制体系为主体的理念及屋盖系统、木结构抗震性能研究等角度出发具体地分析了古建筑抗震存在的困难及相关因素的因果关系。

（3）成熟期：2001—2008年。21世纪初，国家地震监测网基本实现了数字化和网络化。自第一代《全国地震区域划分图》发布以来，针对一般建筑的抗震设计，中国地震局已发布第二至第五代地震带图。同时，GB?18306—2015《中国地震动参数区划图》是强制性的国家标准，用于指导建筑抗震设防。尽管如此，仍有许多已建成的建筑物在地震发生时仍存在 安全隐患。 2003年，巴楚–伽师地震发生，震级为6.8级，造成了大量人员伤亡。主要原因是震中农村住宅建筑的抗震设防未达到强制性标准。自2004年以来，新疆率先在中国实施抗震住房项目；2008年后，全国开展了抗震住宅工程，符合抗震要求的住宅建筑比例大幅提高。至此，我国建筑抗震体制正式进入快速发展阶段，建筑抗震体制逐渐完善步入正轨。

在历史经验充足的背景下，我国古建筑抗震研究进入整合阶段。此时期内，重点关键词出现频次显著提升，主要围绕“加固”“概念设计”“仿古建筑” “抗震构造”“动力分析”“榫卯结构”“砖石古塔” “古塔”“古代建筑”“抗震”“有限元”“时程分析”“耗能”“扁钢”“斗拱”等展开。

2008年发生了伤亡巨大的汶川大地震，《建筑“国家队”非常时速——中国建筑设计研究院抗震救灾纪实》阐述了在一天之内，中国建筑设计研究院组织院内专家编写了灾区建设指南：《地震灾区过渡安置房建设技术导则》（试行）、《四川地区地震灾后 重建实用技术手册》、四川地震灾区过渡安置点供水方案、《藏羌传统民居灾后拯救关键技术研究》等， 为抗震救灾和灾后重建工作提供了强有力的技术 支撑。

（4）快速发展期：2009—2019年。邢台地震后，地震学家和政府共同努力大规模普及地震科学知 识，以生动的海报及脍炙人口的民谣形式进行宣传普及。汶川地震后的每年的5月12日被命名为“全国防灾减灾日”，以提高全体公民的防灾和安全意识。

中国地震局在2020年设立一个公共服务司，通过互联网、移动媒体等技术的发展和应用普及地震相关知识，使得防灾减灾知识已成为人们日常生活的一部分；2015年6月，国家发展和改革委员会正式批准“国家地震烈度快速报告和预警工程”，并于2018年开始实施。项目建成后，地震预警服务已经能够提供秒级响应。未来随着新技术，如大数据并行计算机、人工智能等的不断应用，地震预警的速度和准确性有望进一步提高。此后，相关政策文件陆续出台，代表着我国建筑抗震研究已取得初步成果。

近年来，建筑抗震工程技术领域开始步入新的阶段，引入了速度、预防、重点地区重点关照、城市群地震风险研究等概念，用于超前预防、生态建筑、低碳设计、节能设计以及智能系统在建筑工程技术和建筑设计方面。

在大环境下，这一阶段的关键词围绕“力学性能”“地震响应”“碳纤维布”“动力响应”“半刚性”“抗震分析”“数值模拟”“模态分析”“滞回性能”“滞回曲线”“加固方法”“高台基”“力学模型”“太和殿”“斗拱节点”“残损”“直榫节点”“钢结构”“填充墙”“缝隙”“燕尾榫”“损伤”等展开。

重点关键词逐渐从“加固”“榫卯结构”等变为“力学模型”“残损”“斗拱节点”“钢结构”。表明古建筑抗震设计的研究内容已逐渐从整体设计研究转向强调单构件、单节点协同设计的细分研究方向。一方面，与这一时期科学技术快速发展推动的建筑抗震研究需求的提高有关；另一方面，它与建筑设计和工程技术领域的可持续发展概念有关。作为一个重要特征，残损研究也成为建筑抗震领域的热点之一。这一趋势表明研究的重心不够均衡，也成为研究中的一个问题。

（5）多元发展期：2020年至今。“小震不坏、中震可修、大震不倒”原则开启了中国建筑抗震新时期，同时，可持续发展、数字化、网络化、全球化等信息社会特征对建筑抗震领域产生巨大影响。

钢结构成为抗震设计评价标准之一，数字技术如BIM实现项目高效数字控制。2020年7月，《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》将信息技术应用作为建筑业转型升级的关键动力，这些都反映了研究和实践的新趋势。

在古建筑抗震研究进入新阶段的背景下，信息社会的发展对建筑抗震设计和工程防灾减灾领域产生巨大影响，促使建筑相关领域产生了新的研究方向。这些方向包括“新材料”“环氧树脂”“修缮加固”“钢板加固”“阻尼装置”等关键词。

3研究领域与热点

3.1研究领域

使用CiteSpace软件，以“关键词”为节点类型进行聚类分析，并生成关键词聚类网络图。围绕古建筑抗震研究展开的研究方向，聚焦于一系列关键词，形成了聚类网络图：“抗震”“时程分析”“抗震性能”“木结构”“古建筑”“仿古建筑”“应县木塔”“抗震防灾”“力学性能”“动力反应”等主题，分析后得出表1关键词聚类信息。

表1关键词聚类信息

随着序号的减少，该聚类词中的文献数量随之增加，即为中心研究课题。因此，以“抗震”为主题的加固措施研究和以“时程分析”为主题的大跨度屋顶应力分析是古建筑抗震研究的中心领域。此外，根据研究前沿的主题分布，对古建筑抗震设计的研究较少，在一定程度上与仿古建筑的独特使用需求和供应有关，确保仿古建筑的安全和高效使用是设计中必须满足的要求。在某种程度上，古建筑的抗震研究主要集中在木结构上。

3.2研究热点

应用CiteSpace软件，节点类型仍然是“关键词”，得出图2部分关键词共现网络图谱，通过分析表2中的关键词频率，总结高频词节点，发现古建筑抗震主要集中在3个方面：（1）抗震性能–木结构；（2）仿古建筑、古塔–榫卯节点；（3）斗拱–残损研究。

图2部分关键词共现网络图谱

表2关键词频率

3.2.1抗震性能–木结构

“抗震性能”和“木结构”作为高频词表现出很强的相关性，经常出现在同一文献中。在对相关文献进行分类整理的基础上，总结出以下研究热点。

首先，罕遇地震作用下古建筑抗震性能研究，该方向研究具有极强的针对性，如周乾等对故宫太和殿抗震研究，得到太和殿在8度罕遇地震作用下的结构典型节点的内力及变形响应曲线，进一步评价了太和殿的抗震性能。

其次，于倬云等介绍了古建筑抗震性能方面的初步研究，详细探讨了隋唐、官式建筑砖木混合结构在抗震性能方面的表现。 古建筑的抗防震研究主要集中在抗震和加固方面，同时也有一些研究关注古建筑的隔震、控震等防震方法。例如，王卓等针对古建筑迁建过程中可能遇到的问题进行了研究，以上海某古宅建设项目为实例，对古建筑木结构装配施工、新材料、新技术应用以及抗震加固的全过程进行了成果总结，以及张鹏程等通过翔实的历史、考古资料和许多现存古建筑的地震经历，阐述了中国古代建筑防震思想的形成和发展过程，开辟出解决隔震、控震结构问题的新方法新思路研究等。

总之，“抗震性能–木结构”的研究主要集中在对古建筑中的抗震性能问题上，且侧重木结构、砖木混合结构、新材料、新技术方面，研究成果与实践密切相关，具备实际指导作用。

3.2.2?仿古建筑、古塔–榫卯节点

同上，可以总结出两个研究热点：“仿古建筑”和“古塔”以及与之相关的“榫卯节点”。 首先，案例与实践研究占比较大，主要是整理与分析。 其次，古建筑局部结构抗震设计研究，涉及新材料、有限元分析等多方面内容，如赵浩对古建筑砌体墙抗震的研究，利用环氧树脂和甲基丙烯酸甲酯进行古建筑砌体的本构关系的性能增强，试验结果与有限元分析计算结果相吻合，为古建筑砌体结构抗震保护提供参考依据。 与“抗震性能–木结构”不同，这一方向的核心是从局部的角度讨论古建筑抗震设计问题，包括对古建筑性质、结构类型、应力有限元分析等研究，以及对古建筑抗震整体设计、单体设计等不同层次的系统分析，具有较高的学术价值和实践指导意义。

3.2.3?斗拱–残损

经分析，关键词为“斗拱”和“残损”的研究热点主要使用古建筑人工残损模拟方法进行探究，模拟了斗拱木结构的3种常见损伤类型。

如蛀蚀、腐蚀和开裂，低周反复荷载试验下得到了其抗震性能的退化规律及建立了西配殿斗拱、榫卯和柱脚的实体模型以研究其抗震性能，并探讨了材性退化对节点性能的影响，杜彬等人对7个按照宋代《营造法式》制作的燕尾榫单节点模型进行了抗震性能测试，研究了节点破坏形式、滞回特性、转动弯矩、刚度退化、能耗等方面及其受影响因素变化的规律，为实践项目提供了指导意见。以实际项目模型为例，探索出与“斗拱”“残损”相关的设计策略，具有很高的指导意义。

作为一种特殊的建筑节点结构，它记录了中国几千年来建筑风格的转变和发展，具有重要的文化、历史和社会价值。榫卯连接是中国古代木结构的一个重要特征，具有良好的耗能性能，榫卯连接的失效通常导致整个结构倾斜甚至倒塌。

因此，掌握榫卯连接的各种性能是古建筑木结构修复和保护的基础。同时对古建筑结构研究的历史性、艺术性和科学性地提出以及古建筑结构（如木结构、斗拱、地宫、古代夯土、古塔基础形状、古城墙稳定性等）力学特性研究，已成为古建筑抗震领域的研究热点之一，见表3。

表3研究热点

4结论与展望

4.1结论

基于CiteSpace软件的可视化知识图谱分析，得出以下结论。

（1）学者机构之间，表现出合作不足及学术交流极少的情形。

（2）进程方面，在关键词时序图谱与我国地震灾害事件的分析过程中，可以将古建筑抗震研究分为5个阶段。古建筑抗震研究在不同阶段时表现出的广度与深度都是逐层递进的，研究的范围和深度不断扩大，稳步前进。

（3）以“抗震”“时程分析”“抗震性能” “木结构”“古建筑”“仿古建筑”“应县木塔”“抗震防灾”“力学性能”“动力反应”等为中心的研究领域和热点，主要体现为“抗震性能–木结构”“仿古建筑、古塔–榫卯节点”及“斗拱–残损”三大主方向。

4.2展望

伴随信息时代发展和国家对物质文化遗产的重视程度日益增大，古建筑作为传统文化载体的重要性和民族性会越来越重要。在对古建筑抗震知识图谱进行分析的基础上，结合我国国情和现状，可进一步推进和深化仿古建筑及古建筑修缮等领域的研究。

（1）加强学者之间的合作。学者和机构在该领域中的合作程度较低，合作关系较为分散，与其他研究领域相比存在明显差异。部分学者的研究通常非常具体，且具有代表性，学者之间的互相合作，通常能够在不同的领域和方向上建立一个更为完整和系统的研究框架。（2）扩展研究方向的范围。基于497篇文献的分析结果，发现“抗震性能”是出现频率最高的高频词，共出现了150次。这一结果展示了“抗震性能–木结构”研究，如罕遇地震作用下古建筑抗震性能研究、古建筑隔震、控震等防震研究、“斗拱–残损”研究的论文数量显著多于古建筑木结构和榫卯节点等整体研究的论文；此外，在抗震性能木结构研究中又以抗震、加固等占据主要内容。研究重点明显偏向于某些方向，限制了该领域的全面发展，而多样化的研究方向可进一步扩大科研范围，缩小与国外同种研究间的差距。（3）实际案例研究的数量远低于理论和设计研究的数量。据组织机构分析得出：大学提供的研究文献排名靠前，但研究内容主要集中在理论和设计上；同时从文章发表时间来看，在快速发展中期，技术实践和应用研究的发展深度，远落后于理论研究和设计研究。在未来的研究中，古建筑抗震工程实践应用与钢结构、新材料应用等研究齐头并进、共同发展才能取得相得益彰的效果。