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木结构建筑的抗震之谜
作者: 发布日期:2014/12/3 11:01:00

        当人类告别洞穴学会用树枝搭建遮风挡雨的居所开始,阳泉木屋建筑就伴随着人类社会发展而日新月异。但在历史的长河中,由于地理差异,逐渐形成两大建筑结构。一种是以砖石为主的坚硬建筑,表现为欧洲的城堡和教堂;另一种是以天然木材为主的柔软建筑,表现为中国的殿阁楼台。

        在现代工业文明到来之前,这两大建筑类型在各自的地域和社会中不断发展,几乎达到了各自建造技术的极致。我们姑且暂时将城堡和教堂放在一边,来看一看木结构建筑的特点和抗震之谜。
震后不倒的木结构建筑

       在汶川地震中,四川都江堰青城山前山有部分木结构的别墅建筑,在灾后的实地调查中人们发现,建筑面积约200平方米的木结构房屋底层裂缝最多出现了6处,二层的裂缝最多出现了2处,但并不影响结构安全性和正常使用。

       清华大学建筑学院教授王贵祥在接受《中国科学报》记者采访时介绍,我国古代木结构建筑有不少经历了数百上千年,仍然岿然屹立。

      比如位于天津蓟县盘山脚下的独乐寺,始建于唐代,寺内的观音阁和山门重建于辽代。自重建以后千余年来,独乐寺曾经历了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)三河、平谷发生8级以上强震,蓟县城内官民房屋全部倒塌,只有观音阁不倒。1976年唐山大地震,观音阁及山门的木柱略有摇摆,但整个大木构架安然无恙。

      还有位于山西省应县城西北佛宫寺内的应县木塔,建于辽清宁二年(1056年)。据史书记载,在木塔建成200多年时,当地曾发生过6.5级地震,余震连续7天,木塔附近的房屋全部倒塌,只有木塔岿然不动。上世纪初军阀混战的时候,木塔曾被200多发炮弹击中,除打断了两根柱子外,别无损伤。

     2009年,日本和美国科学家进行了一次木结构建筑抗震实验。他们在一座实验工作台上建造了一座7层高的木结构建筑,然后制造一次相当于里氏7.5级的人造地震,震动持续了40秒钟。实验结果显示,木结构建筑对强烈地震有较高的耐受力。

天然木材以柔克刚

     木结构建筑为何有如此奇特的抗震性能呢?中国工程院院士、中国地震局工程力学研究所原所长谢礼立在接受《中国科学报》记者采访时指出,木结构建筑拥有一定的抗震性能主要是由其材料决定的。中国古代木结构建筑大多用天然木材,天然木材本身质地较软,比砖石混凝土和钢材有更好的柔韧性,这就使天然木材可以承受更大的形变。同时,天然木材一般比较轻,整个建筑的重量就比砖混和钢结构的建筑要轻得多。这些都有利于抗震。

      长期从事古建筑修缮工作的北京大前门公司总工程师高飞告诉《中国科学报》记者,一般木结构建筑主要采用松木、杉木,这些针叶树木既能承重又有韧性,而杨木、柳木因为易断裂,则不会用在木结构建筑中。高级的木结构建筑的连接件会用金丝楠木等成材年份长,韧度高的木材,但在国内,这些名贵木材已经在明清两代被采伐殆尽。现在,故宫大殿翻修都很少更换柱子,因为如此坚韧而且体量大的木材,国内已经没有了,如果更换,就只能去非洲采购了。

       高飞介绍,采伐后的木材并不能直接就用于建筑,因为这时的木材含水率很高,不加处理使用后会导致建筑日后变形。因此,木材采伐运输后,要进行烘干,一种是自然晾干,但是耗时长,一种是逐渐加温烘干,时间短。烘干后的木材在压力下可以变形,但不会断裂,压力消失后,还可以恢复原样。这也是天然木材作为建筑材料的优势。

可变形的框架结构

      除了天然木材本身的可塑特性外,木结构建筑拥有可变形的框架结构。比如,一把木椅子,你使劲晃动,它会吱扭作响,但是椅子不会散架。

       高飞告诉记者,我国古代木结构建筑主要由四部分组成,分别是地基、基础、墙柱、屋顶。其中,地基是由石灰、黏土和细砂所组成的三合土夯实的。地基上面是基础,我国木结构建筑的基础一般是独立基础,也就是砌个大砖台。这使基础和上面的木建筑整个是一体的,一旦发生震动,虽然下面的地基会晃动,但是由于上面是个整体,所以晃动而不散架。

       而且木结构建筑不像砖混建筑,它没有承重墙,它的墙体只承受自身的重量而不承受建筑其他荷载。承重的只有柱子。

       清华大学土木工程系教授钱稼茹在接受《中国科学报》记者采访时指出,木结构建筑的支撑柱不是钉死在地基里的,而是放在石头基础上,也可以移动。在汶川地震后,当地的许多木结构建筑的柱子就发生了移动,但是建筑本身没有倒塌。这种特点使人们在大地震过后经常看到“墙倒屋不塌”的景象。

       如果说基础和柱子让木结构建筑有个坚实的下盘,那么不用钉子的构件连接则是木结构框架晃而不散的根源。

       钱稼茹告诉记者,木结构建筑构件之间的连接方式可以有效地消解地震能量。现代砖混建筑要求构件连接紧固牢靠,一旦发生地震,过紧的连接没有变形的余量,很容易断裂。而木结构建筑的构件连接是榫卯结构,榫卯连接既不会让各构件分开,同时又有余量。

       榫卯是极为精巧的发明,我们的祖先早在7000年前就开始使用,已知出土最早的带有榫卯结构的木制品,就是河姆渡遗址发现的木地板。这种不用钉子的构件连接方式,使得我国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者钢架的特殊柔性结构体,不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的变形,在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量。

工艺精巧刚柔相济

       谢礼立告诉记者,除可变形的框架结构外,木结构建筑构造精致,无论是基础、墙柱、屋顶,还是连接的榫卯和支撑房檐的斗拱,都设计巧妙,与砖混结构建筑相比,木结构建筑构造要复杂得多,这也使其拥有更大的变形承受力。

       高飞介绍,木结构建筑中有个独特的构件——斗拱。它很好地体现了分散受力的原理。在立柱和横梁交接处,从柱顶上的一层层探出成弓形的承重结构叫拱,拱与拱之间垫的方形木块叫斗。两者合称斗拱。过去古建筑都要有屋檐,出挑的屋檐必须要有木料支撑才不会塌落。但是,如果用一根木料支撑,承受力显然不够,而且那么大的木料也并不好找。于是古代工匠就想出一个巧妙的办法,将整根木料化整为零,在柱子上像搭积木一样,纵横交错逐级伸出,这样不但用的木料少,而且承受力也比只用一根木料大得多。形象地说,斗拱就像个大弹簧,在木结构建筑中起到了消解地震能量的作用。

       独乐寺观音阁之所以在多次强震中屹立不倒,主要是斗拱起了作用,观音阁的斗拱设计十分巧妙,在没有一颗钉子固定的情况下,通过七层木块的相互交织,达到了相互连接固定的作用,这样在地震出现时能及时减缓外部的压力,具有很强的抗震性能。

       高飞告诉记者,除斗拱外,在木结构建筑中由于柱子起到支撑整个建筑的承重作用,因此柱子的加工也十分重要,并非在木材外刷上漆就完事了。我们平时在故宫、天坛看到的那些大殿的柱子都有复杂的加工工艺。一般要先把木材刨光打磨,之后在表面缠上麻丝,再在麻丝外刷上灰,等灰和麻丝固结干燥后,再重复五遍这样的工艺,最后,再刷上防雨漆,才算大功告成。经过这样处理后的柱子可以支撑住木框架,保证建筑的一体性。

      高飞指出,木结构建筑中不用木材的地方有两处,一是基础、二是屋顶的瓦。由于材质不同,它们与木材之间是怎样连接的呢?

      首先说说基础,由于柱子为木制,所以立柱与基础之间放置柱脚石,以防止柱子受潮腐蚀。柱子、柱脚石、基础三者之间是不存在可靠连接的,而是直接把柱脚石放置于基础上,再把柱子立置于柱脚石上。这样受到震动时,柱子可以小幅度移动。

       瓦与木材是通过一种特制的粘合剂连接的,首先把青灰、白灰、麻刀丝拌匀,均匀地涂抹在屋顶木材上,大约涂4公分厚,之后,再涂上8公分厚的黏土与白灰混合的大泥,最后,把瓦铺在这上面,等干燥后,瓦与木材就连接在一起了。所以,我们常常看到一些年代久远的木结构建筑屋顶上长草。

       大范围推广有局限

       既然木结构建筑有很好的抗震性能,为何不大面积推广呢?在谢礼立看来,木结构建筑确实有较好的抗震性能,在地震多发的日本,低矮的木结构建筑较多。但是人生活在地球上并不是只有地震这一种灾害要面对,房屋建筑还要满足防风、防雨、防火、防虫蛀等多种要求,这样看,木结构建筑的功能就显得单一了。因此,目前世界上的主要建筑还是以砖混建筑为主。

        在高飞看来,尽管木结构建筑有一定的抗震特性,但是,它受高度限制,除了一些木塔外,很难看到高于20米的木结构建筑。由于现代建筑越建越高,所以木结构建筑逐渐退出历史舞台,取而代之的是混凝土剪力墙结构,而如果超过100米,则多用钢结构,因为钢结构重量比混凝土轻,而且抗拉伸力也较好。

        钱稼茹也认为,平时人们在美国、日本看到的现代木结构建筑多为一两层的,这与木材的特性有关,对于高层建筑来说,天然木材力学性能有限,加上防火的要求,所以木结构不适合高层建筑。

         尽管木结构建筑已不再是现代建筑舞台的主角,但是其独特的构造理念和力学设计还是值得人们去研究和借鉴。

         清华大学建筑学院教授王贵祥在接受《中国科学报》记者采访时认为,尽管目前人们对木结构建筑的抗震性能有较为一致的观点,比如,其可变形的框架结构可以消解水平荷载积累的能量,但是具体原因仍然缺乏数理计算。

        高飞也告诉记者,我国古代木结构建筑的承载负荷不是靠力学公式计算出来的,而是通过工匠世代传承、经验积累出来的。比如什么样的建筑,用多大的梁?多大的檩?文字并没有记载,全靠工匠的经验。我国木结构建筑的书籍记载的只是工法,不像西方建筑学有复杂的力学计算。

         在王贵祥看来,目前,搞结构力学研究的学者往往都只盯着高层建筑,对古建筑不感兴趣;而搞古建筑研究的学者又不掌握力学的数理计算方法,只研究古建筑的历史、法式等。这种现状造成对木结构建筑研究的空白。他建议,应该设立跨领域的古代木结构建筑研究学科,使对木结构建筑的研究不再仅停留在历史和文化层面。

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