故宮古建抗震功夫是如何煉成的？

最近，一段“故宮建筑模型在強(qiáng)震模擬中巋然不倒”的視頻在微博上火了。這段視頻來(lái)自英國(guó)電視臺(tái)第4頻道制作的紀(jì)錄片《紫禁城的秘密》。

故宮博物院研究館員周乾博士是該紀(jì)錄片中展示的故宮建筑模型抗震試驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)者。他向科技日?qǐng)?bào)記者介紹道：“這是首次將故宮中某一建筑的整體結(jié)構(gòu)模型放置在地震工況下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果出乎意料，模型經(jīng)受住了10.1級(jí)地震的考驗(yàn)”。

根據(jù)地震學(xué)理論，一般用地震烈度來(lái)表示地震對(duì)建筑物的影響程度。但是該片英國(guó)導(dǎo)演認(rèn)為，對(duì)英國(guó)觀眾來(lái)說(shuō)，地震烈度的概念比較陌生，而更傾向于接受震級(jí)的概念。“因此，在紀(jì)錄片中，用震級(jí)來(lái)代替烈度描述地震作用強(qiáng)度。”周乾表示。

太和殿立面

以柔克剛古建模型強(qiáng)震不倒

在做故宮建筑模型抗震測(cè)試前，英國(guó)攝制組曾經(jīng)做過(guò)一些歐洲古代建筑模型的抗震試驗(yàn)，磚石結(jié)構(gòu)模型都以坍塌告終，中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)能扛過(guò)強(qiáng)震嗎？測(cè)試開(kāi)始前，參與拍攝該節(jié)目的英國(guó)專家理查德和周乾打了個(gè)賭。理查德認(rèn)為，故宮建筑模型肯定會(huì)被震垮。

起初，在體驗(yàn)3級(jí)到4級(jí)地震時(shí)（地震烈度約為5—6度），模型只是在試驗(yàn)臺(tái)上輕微晃動(dòng)。隨著地震烈度的不斷增加，模型晃動(dòng)的幅度增大，兩側(cè)的磚石墻體出現(xiàn)垮塌。加碼到10.1級(jí)地震強(qiáng)度時(shí)，地震波烈度的峰值已超過(guò)歷史地震的最大值，振動(dòng)臺(tái)加載裝置也已達(dá)到工作極限。

然而，在如此劇烈的地震作用下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿匀槐３址€(wěn)定搖晃，并在震后基本能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，建筑整體屹立不倒，立柱只是發(fā)生了輕微的位移，充分體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)木構(gòu)古建在地震作用下“墻倒屋不塌”的特點(diǎn)。

“理查德曾向我描述，他在現(xiàn)場(chǎng)感受到，在強(qiáng)震作用下，有一個(gè)巨大的沖擊力撲向模型。模型開(kāi)始搖晃，但是始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。在復(fù)位過(guò)程中，古建筑模型像揉太極球一樣，把地震力往外推了出去。這很像中國(guó)太極功夫中的以柔克剛，四兩撥千斤。”周乾說(shuō)道。

太和殿平擺浮擱柱底

理念先進(jìn)強(qiáng)震不倒靠隔震

故宮建筑模型表現(xiàn)出的“強(qiáng)震不倒”靠的是什么？周乾指出，中國(guó)是世界上最早將隔震理念應(yīng)用到建筑中的國(guó)家，故宮建筑的設(shè)計(jì)建造中充分考慮了抗震的需求，采用了多項(xiàng)隔震技術(shù)。

所謂建筑隔震，就是在建筑基礎(chǔ)部位安放可運(yùn)動(dòng)裝置；地震發(fā)生時(shí)，通過(guò)裝置的運(yùn)動(dòng)來(lái)耗散、吸收部分地震能量，并錯(cuò)開(kāi)地震波的頻率，從而減輕地震對(duì)建筑的損害。

故宮古建筑的隔震是如何實(shí)現(xiàn)的呢？周乾舉例解釋道，比如建筑的柱根并非插入地底下，而是平擺浮擱在柱頂石上。地震作用下，柱根在柱頂石上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦滑移隔震效果。

故宮古建筑的梁與柱采用榫卯節(jié)點(diǎn)形式連接，梁端做成榫頭形式，插入柱頂預(yù)留的卯口中。地震作用下，榫頭與卯口之間反復(fù)開(kāi)合轉(zhuǎn)動(dòng)，并產(chǎn)生小量拔榫。拔榫即榫頭從卯口拔出，但不是脫榫，榫頭始終搭在卯口位置。這種相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)也是摩擦減震、隔震機(jī)理的體現(xiàn)。

柱頂之上為斗拱。斗拱由坐、拱、翹、升等小尺寸構(gòu)架由下至上層層疊加而成。地震作用下，這些細(xì)小構(gòu)件之間相互擠壓、錯(cuò)動(dòng)，可耗散大量地震能量，并能夠延長(zhǎng)建筑的晃動(dòng)周期，產(chǎn)生隔震效果。地震結(jié)束后，這些小構(gòu)件基本能恢復(fù)到初始位置，并保持完好。此外，厚重的屋頂猶如一個(gè)胖子，在外力作用下晃晃悠悠的往復(fù)搖擺，但始終保持穩(wěn)定不倒，起到了很好的隔震效果。

力求真實(shí)建造體現(xiàn)故宮建筑特征模型

太和殿是紫禁城內(nèi)體量最大、等級(jí)最高的建筑物。按英國(guó)攝制組最初的設(shè)想，他們希望能復(fù)制太和殿的模型進(jìn)行地震測(cè)試。

但受試驗(yàn)條件限制，建筑模型將在一個(gè)長(zhǎng)寬均為3米的震動(dòng)平臺(tái)上接受地震考驗(yàn)，這意味著要按1∶20比例縮小建造太和殿模型。“縮小20倍后，太和殿模型中木柱便只有火柴棍大小，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)嚴(yán)重失真。”周乾指出。

為了找到一個(gè)既能體現(xiàn)故宮建筑典型構(gòu)造特征，又能滿足試驗(yàn)要求的古建筑，周博士和攝制組導(dǎo)演反復(fù)論證研討。最后，他們決定以故宮南三所大門為原型，按照清工部《工程做法則例》相關(guān)規(guī)定，對(duì)其開(kāi)間尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，加工成縮尺比例約為1∶2的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

周乾介紹，模型建造過(guò)程中，瓦作、木作、石作等所有工序嚴(yán)格按照清工部《工程做法則例》進(jìn)行施工。《工程做法則例》是清代官方頒布的建筑施工工藝標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b過(guò)程中，工人有一些不符合復(fù)原故宮官式木構(gòu)古建的施工行為，如對(duì)斗拱采用了釘子、柱頂石平面尺寸過(guò)小、木材使用了裂紋較大的材料等等。周乾都讓他們逐一進(jìn)行了拆改，原汁原味地再顯故宮官式木構(gòu)古建的施工工藝特征。

“尤其是斗拱，古代斗拱構(gòu)件間采用暗銷及榫卯咬合，不采用釘子。我們希望能最大限度還原眀清官式建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。”周乾說(shuō)道。

太和殿梁架

及時(shí)保養(yǎng)促進(jìn)古建筑益壽延年

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自紫禁城建成以來(lái)，故宮古建筑經(jīng)受了大大小小至少222次地震的考驗(yàn)，其中不乏像1679年北京平谷發(fā)生的8.0級(jí)地震和1976年唐山發(fā)生的7.8級(jí)大地震。

在周乾看來(lái)，故宮古建筑之所以能抵御非常罕見(jiàn)的地震，有個(gè)非常重要的前提是：這些古建筑在歷朝歷代得到了很好的維護(hù)保養(yǎng)。在古代，皇帝每年都會(huì)安排大量經(jīng)費(fèi)用于紫禁城建筑的修繕，并有專門的部門負(fù)責(zé)修繕工作。如明代為工部營(yíng)繕清吏司，清代為內(nèi)務(wù)府營(yíng)造司。新中國(guó)成立后，故宮博物院先后成立古建部、工程管理處、修繕技藝部來(lái)對(duì)故宮古建筑進(jìn)行定期維護(hù)和修繕。

“建筑就像人一樣，具有生命屬性，時(shí)間長(zhǎng)了，難免老化并出現(xiàn)各種病害，如開(kāi)裂、拔榫、變形、糟朽等。只有及時(shí)采取各種有效措施對(duì)它們進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，并采取有效加固措施，才能使它們抵御包括地震在內(nèi)的各種自然災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)延年益壽。”周乾說(shuō)道。