1、1对中国古建力学的思考李豪邦（中国建筑东北设计研究院有限公司 沈阳 110006）摘 要 文章对中国古建进行剖析后，认为中国古建的特点是结合瓦屋面垫泥自重大的情况，使其柱、枋、梁三类件刚柔相济地承载、抗风协同工作，而对地震却有着更好的隔震效能，正因此，应县木塔才能历经千年，飓风不倒、地震不塌，完整地保留到今天。关键词 古建结构 隔震 应县木塔前言中国古建绮丽多姿的风韵在国内众多的旅游景点是随处可见，她的风格已远及日本、韩朝，甚至海外各处华人街市。古建重要的特征在于木构的屋盖，不论双坡的硬山、悬山，多坡的歇山、庑殿及至攒尖、重檐，其优美的曲线造型轮廓，配以屋角起翘，纤细线条，轻巧玲珑、朴素典雅。
2、与西方古建相比，给人以柔和雅丽的印象，更多2美的享受。古建造型轮廓的构造内核是古建的承力结构。近百年来学术界对古建的重视是时有倡导，特别是上世纪初中国营造学社的成立，曾做了大量的古建调研实测，而对古建承力结构的受力探讨未能涉及。上世纪 80年代拨乱反正之后以北京古建研究所为主曾在古建结构构造处置细部的调研整理方面做了大量细致工作，并形成了系统专著 1、9，但在涉及深入到力学理论层面的、古建构件的受力性能方面，则由于古建结构隐含的特殊机理不为当今各类已知明确的结构体系所纳，难以建模，故而一直无人问津。从历史角度来推敲、解读古建结构作品的形成特点，可以想象得出，今日保留的古建是古代匠师，师徒沿袭传
3、承、学纳外师技巧、一代接一代吸取经验与教训、逐步改进、通过皇室等大型建筑集中多方经验，形成一段时间的法则，再不断改进发展营造出来的建筑结构作品。对这些作品，从今日技术角度来看，由于当时缺泛科学理论引导，因之不难发现其中存有：材料运用不尽完善、节点处置不够完美恰当的不足之处。然而我们必须承认：历经上千年传承下来的古建处置3手法是出自历代众多的圣哲匠师的终生琢磨、运思献策、集思广益，且经历了历代飓风与地震的考验，不断改进提练出来的当时最精练的精湛技术。建于公元 1056年的山西应县木塔至今傲然挺立，这有力地说明：中国古建结构的处置手法虽然与当今依据力学理论优化设计的成熟做法不完全符合，但她 66米
4、高、四千多吨重，挺立 950年的事实，反映了她必然绝对是符合结构力学基本原理能达到强度有余、稳定足够的境地。从这个角度来看，中国古建在力学机理上是存在尚未被同业人士可清晰认辩的深藏特殊机理及超越当今的高明之处。针对当前现代建筑结构的技术进展，以其具有的力学理论深入、科技手段广泛、用材类广且为大工业生产的综合强势、挤迫古建、湮灭古建单一用材、手工生产效率低下的情况，我们当今国内结构同行应是责无旁贷地投入精力对此项深藏的特殊机理澈底剖析清楚，这样才不愧对圣哲匠师的辛勤劳作，也有利于保护古建并适度发展以对得起后代来者。一 古建结构承传竖、风载的情况分析41.1 古建房屋的构成一般分三部段，即台基、屋
5、身与屋顶。屋身皆为直立的木柱、屋顶为颇多杆件组成的木构架。今参照文献1图 2-2所示常用的硬山木构架来看，望板承担屋面瓦、泥灰以及其上活载后，将其传给椽条（脑椽、花架椽、檐椽、飞椽） ，椽条又将荷载传给檩条（檐檩、下金檩、上金檩、脊檩） ，檩条接受荷载后，除檐檩、下金檩直接将其传给下面的柱顶外，而脊檩、上金檩则是将荷载通过瓜柱、三架梁传给举架底部的柁梁上，再由柁梁最终传柱。这样，从传递竖载来看，当建筑布四排柱时，其主要的结构构件，除柱之外将是柁梁、檐檩和下金檩，它们都是置于柱顶将屋顶全部竖重直接传柱。从受力角度来看，在竖载作用下屋顶构件的受力都是清晰的，椽、檩、柁梁的受力为静定的受弯构件。柱属
6、于轴压或偏心受压构件。对它们进行杆件内力计算及截面应力及至确定截面都是方便的。1.2 作为地面以上的古建筑除了承担竖载之外，也必须考虑承受风载以及偶然出现的地震作用。风载是地面以上空气流动形成的风压，它来的方向可以是随意的四面八方，作用给墙面及屋顶坡面，几经传递最后作用给柱或墙，而后传给基础。5当建筑平面中布置轴线正交，柱与墙规格匀称时，风力的传递不论风向如何皆可根据力学中力的分解原则，分解为相互正交并平行于建筑中墙面的力来分别传给双向的墙体来承担，此时柱对水平风力将承担很少甚至不承担， （对低层的砖结构建筑，由于墙量较多，抗风能力大有富裕，故常对风载略而不计） 。这样看来对古建中无墙的亭、榭
7、类建筑，以及房屋一侧全开门窗的建筑，其对柱的抗风能力就必须给予妥善解决。1.3 观测木柱的根部，其底端为一石制柱础（或称柱顶石） ，在柱础正中凿一卯孔（又称海眼） 。加工柱时将其底做出一凸榫，安装时使凸榫插入卯孔。显然这种古代木结构的合理做法和当今现代结构的砼柱底甩筋锚入基础，或钢柱底周边外采用长地脚螺栓锚入砼基础的做法，从力学角度衡量二者差别是很大。若不考虑上部结构具有对柱约束其倾倒作用的存在，则对砼柱、钢柱顶端施加水平力是可以允许、理由是砼柱、钢柱为刚性嵌固于基础的悬臂状态。而木柱底部为铰接，凸榫虽可承受剪力，但不能承担出现于柱根的弯矩，一旦柱顶施加水平力，则木柱必然倾倒。1.4 观测木柱
8、的顶端可看出，柱顶一般是存在双6向多层水平杆件的相互交搭。今以四排柱布局的硬山明间的檐柱与金柱（参见文献1中图 2-2、图 2-3）来说：檐柱顶在纵横双向有檐檩、抱头梁与柱三向交搭（檐檩位在抱头梁之上） ；金柱顶在纵横双向有金檩，柁梁与柱三向交搓（檩在柁之上） ，此种交搭当相接面为平面时，按力学原理来看，该相接面之间仅可传递竖向重力，水平剪力可借助磨擦产生，而对弯矩则在柱顶不变弯情况下是无法出现。1.5 再观测木柱顶端的下层：在柁梁之下有随梁枋，在金檩、檐檩之下有金枋、檐枋，有抱头梁之下有穿插枋。这些枋件的用料与其上对应平行的梁件用料有时少有减少，但其与柱的连接则皆采用燕尾榫。由于燕尾榫的构造
9、特点是榫呈楔形，安装时由顶落入卯槽就位，对柱头可拉可推，这种连接做法与枋件之上的，梁件与柱连接的性能对比是大有改善，它可以传递一定的水平力及至弯矩，这对柱的倾倒是有着约束作用。二 燕尾榫在枋与柱连接节点中作用的力学概念分析图 1所示为枋件与柱的连接做法，其中绘出了节点平面、立7面及枋件端燕尾榫大样的投视。从图中我们运用结构力学基本原理进一步思考可看出节点受力的以下几点：2.1 当枋件受拉时，对枋件的最不利受力面将发生在 ABB1A1面上，当拉应力值超过该截面的极限强度时，该截面将出现断裂。对立柱而言其不利的受力面是当拉力通过磨擦剪切作用给柱的FBB1F1平面而后有可能引发起始于榫前角 E、F
10、点处立柱木纤维拉裂劈开缝 FH及 EG，并沿该线上下扩展一定长度到 H3、H 2。 2.2 当枋件受压时，由于榫端面 EFF1E1与卯口内壁做不到密合，故枋件对柱的压力很可能是通过卯口外的 BDD1B1及 ACC1A1面上枋端与柱面的接触挤压进行传递。 图 1 2.3 当枋件端受弯时，由结构力学原理知：枋件受弯截面的中部会有一中和轴线，该线上下截面的应力相反，一侧（上或下）受压则另侧（下或上）受拉，而且截面上最大应力产生在截面的上、下边缘处。据此推理，此时枋件端燕尾榫的受力情况将是在受拉的上（或下）面两侧边缘处榫侧面与柱卯口侧面顶紧挤实到用磨擦剪力传递拉力，8而其承压的下（或上）面两侧，则榫侧
11、与柱卯口侧面脱离，此时该处的压力传递改由榫根外的枋的两侧余留面（BDD 1B1及 ACC1A1）的下（或上）边缘挤压柱表面来提供。2.4 可以想象得出，上述燕尾榫的受弯工作是存在有木构造的自身结构特点。首先，榫上（或下）缘顶紧卯口侧是需要出现变形来产生的。其次是枋件下（或上）缘顶紧柱表面也将产生相应的变形。以上两变形的结果会造成枋件轴线相对于柱轴线出现转动的角变形，即对枋件与柱的原有夹角出现或缩小，或放大的现象，这在实际中就是出现柱身歪斜。由于此变形是出现在榫卯受力起步阶段，今称此变形为“起步变形” ，其实质是枋件就位拼装时由难以避免的松弛态进入受力态之间的变形， （今令此变形用柱顶位移量 S
12、表示，则枋端榫只有出现 S之后才受力工作产生对柱的约束。 ）此变形虽然仅是在受弯起步时产生，而当其后受力增大过程内，只要不出现反向受力及超限负荷情况则是可以基本保持夹角不再变动。但此夹角变动（反复负荷时变动更明显）的现象是和结构力学对框架节点的定义（节点是刚结、梁与柱二者要转动一齐转动，但二者相对不动）相违9背的。基于此可认定木构柱枋间燕尾榫连接不能等同钢结构、钢筋混凝土结构的框架节点。同时也应看出：枋柱夹角的变形导致柱歪是不利于结构的受力与使用，对此“起步变形”令其为零属不可能，但应力求减小才合适。三 古建木构架抗风的力学机理分析 3.1 根据当今结构力学的观点：柱底为不动铰的构架、如若柱顶
13、没有强有力的支顶拉接（如长向砖墙或斜撑） ，同时柱顶构件不能提供限制柱侧倾的约束力矩时，则该构架柱在受到水平外力作用下是必然会全部倾倒。今结合古建木构架的实际状况，由于它存在柱顶枋件并以燕尾榫作法与柱连接，如以上分析所述，该节点在出现“起步变形”之后枋件是可以承担一定的作用给柱的力矩来约束柱的连续倾倒变形。依此来看风力作用下的枋件与柱，由于枋件是左右两端支于柱顶、左右柱长不变，则枋件就不会出现转动，但对柱来说，由于柱顶在风力作用下会出现柱顶移位，但柱底不动，这就使柱产生少许侧倾变形，此变形将使柱与枋件的夹角带来变化，这就形成了“起步变形” ，随之引发枋件端榫对柱出现约束10力矩以防止柱侧倾的扩
14、大。此项约束力矩是同时出现在枋件两端，且两端约束柱身转动的方向相同（示如图 2） 。该约束力矩 Mf传给柱后，将与柱底相应承担的剪力 V1所引发的柱顶弯矩 V1H1相互平衡。对此可列式如下：Mf= V1H1 （1） 式中：V 1对应 Mf可允许的柱底剪力；H1由柱底到枋件中心的高度；Mf枋件端榫可承担的力矩，对其量值的计算可如 下进行。 图 2今设枋件受力时，其承担的弯矩是使顶面受拉，则在图 1的 CABDD1B1A1C1面上的应力分布根据概念推理将如图 3所示，图内于截面高度的中部大片应力为零，这是考虑存在起步变形的情况所致（若视截面为连续弹性体，则仅是在截面中部的中和轴处应力为零） 。针对
15、图3的应力分布，我们对枋件端（榫根）截面的受力可近似取上部拉力总和 F为：F=0.2Hb1.1ft=0.22 Hbft 11（2）式中：Hb 为枋件截面高及榫根顶面宽（示如图 3） 。ft为木材顺纹抗拉强度设计值，可根据用材树种参照国家标准（GB50003-2003）取用，对 ft前的 1.1系考虑木材高韧性 10局部受力暂用的提高系数（日后经试验可作修改） 。由于截面上下属力偶抗弯、下部压力之和亦为 F，这样，榫根允许承担的弯矩 Mf可暂如下： 图 3 Mf=F0.8H=0.8H0.22Hbft=0.176bH2ft （3）3.2 对榫连柱枋木构架具有“起步变形”的特点来看，其对木构架的受力
16、工作将是引起柱顶位移的加大。位移加大这对钢筋混凝土框架及钢框架来讲是属不到因素，按现行规范必要时要求在结构设计计算中考虑 P效应，进行二阶弹性分析。对木构古建从现实来看，构架的梁件（柁梁、檩）是简支浮放在柱头顶面，而柱底也是浮放在柱础石顶面之上。考虑到木构架在受水平外载作用后，柱顶出现侧移时会伴随出现柱顶面及柱底面的倾斜，形成柱顶面一角降下，另角升起（示如图 4） 。这将导致柱顶简支梁件对竖重的向12下传递由原先的在柱中心下传改为由柱顶升起的角边下传。同时，侧倾了的柱下端其对竖载的向下传递也由原先从中心下伟改为由柱底面斜下角（此角与柱顶的升起角为斜对）下传。这种因柱顶底面由平变斜引发的竖载在柱
17、顶面及底面上的移位传递，对柱而言起着迫使柱减轻侧倾的趋势；应认为是一项对柱顶作用的约束力矩。今命此柱顶底传力移位的效应力矩为 Mb，则在推理及假定条件下可有下式：Mb=NKB=KNB （4）式中：N 为柱件传下的竖载力；B为柱顶面宽；K为出现 Mb时柱顶底所传竖力线平行中距与 B的比值，可取为 0.60.9。如属必要可根据实况作试验确定。与此同时，我们也应清晰认识“起步变形”的不利影响一面。今取“起步变形”形成柱顶的位移值为 S（此 S值主要与榫卯加工精度有关，它由零起始，直达 S后，枋件才通过榫接对柱产生约束力矩） ，则上柱顶竖载 N将因 S的出现产生导13致柱倾的致倾力矩 NS此致倾力矩对
18、柱的作用与约束力矩为相反。这样看来，柱头在承受水平外载出现起步变形之初，首先出现 Mb的约束力矩，当其能力不足随着起步变形到达 S后，M f才起始参予。此时施加给柱的总的约束力矩 M可如下式表示： 图 4M=Mb-NS+Mf=KNB-NS+Mf （5）在上式（5）中 Mb可认为是恒定，M f则是仅当出现 NS时才会形成来参予工作。而 NS的出现是标志着单由 Mb来约束柱已能力不足，需 Mf出面参予合作才能完成的约束柱的侧倾歪倒。这里反映出一个现象，即当柱顶压重 N很大（多层塔类结构当属此） ，柱的尺寸又较宽（即 B较大）时，M b将显著为大，此情况下有可能会是单有 Mb即可约束柱不出现侧倾歪倒
19、。此时的柱身只是将要出现侧倾趋势柱顶位移则有一点出现，其量远不及起步位移 S值，在这种情况下对结构的使用无疑是十分良好的。为进一步阐明 Mb存在的作用意义，今借文献5、6对应县千年木塔的有关数据、尺寸对 Mb14作如下粗略估算：木塔上部总重（不计底层墙体重时）=2940t。塔高 65.86m，除去顶部尖端及底部半层高后的计算底层风压总剪力的承风压折算高度取为48m。塔身八角形，近似取受风面的直径为 25m。塔体明暗共 9层，底层柱净高取用 5.2，柱宽取 5.211=0.48m。今设塔底的柱根数为 n，则单柱承担的下传竖载力 N=2940tn。按公式（4）计算 Mb并取 K=0.85，则Mb=
20、0.85(2940N) 0.48=(1200N)t-m据文献11计算塔体受风时的底层总剪力 V为：V=1.41.051.420.80.8554825=88172kg此总剪力对底层柱顶产生的总弯矩=88.1725.2=458.5t-m。平衡此弯矩所需全效能服务的柱根数=458.51200/n=38.2%n。上式计算充分说明 Mb的影响是相当可观，不15需全部柱参予，仅有总数 38.2%的全效柱即可在塔体不出现明显的“起步变形”条件下（即枋件端榫全然不工作） ，单由柱顶底传力移位的效应力矩即可与塔体受风的设计值取得平衡。细心观测图 5所示的多层塔梁柱接头示意，可看出上述结论并不意外。这是因为夹于上
21、下柱之间的梁完全类似于上下柱连成整根而梁好象是透榫，穿入其间，榫与卯孔间完全无隙，这样的约束虽然不是真正的透榫但其作用效果是可以令人满意的。3.3 通过以上的分析探讨，我们可对古建构架特点作如下表述。（1）古建木构架的主件皆由柱、梁件、枋件三类构成，梁件与枋件上下平行配置，但二者有着明确的分工。梁件首先始终承担其上竖载的向下传递（其对水平外力的抵抗参予则与传载大小、柱宽尺寸有关） 。而枋件仅在必要情况下即柱出现一定的侧倾 S之后，才承担抵御水平外载。（2）依构件受力重要性区别来说，在单层古建中，梁件承受竖重后，形成跨中截面弯矩值最16大，但实际工程中一般因截面选用较大，故相对而言，梁件多不存在
22、薄弱环节。但仿件相比则不同，因其在抵抗侧向水平力情况下支座截面所受弯矩最大，同时还有剪切力存在，而相应枋件端头燕尾榫根部因截面削弱过多，故形成为明显的薄弱环节，这对亭、榭类建筑卯榫的尺寸决择、精细密合施工都是需要特别注意的。对柱则因其顶端所受弯矩为最大，更加柱顶存在多个卯口，形成截面明显的缺失，而燕尾榫 的受力又会形成柱顶的劈裂应力，故该处也存在形成为薄弱面的隐患。 图 5（3）由于柱的顶底面与相邻构件都是浮搁简支状态，而柱的高宽比相对较大，这在梁端负重较大时，是存在有对柱作用的约束力矩（即柱顶底传力移位的效应力矩）M b，此约束力矩对单层结构来说其效应多不显著，但对多层的塔体结构来说，则是十
23、分重要的抗侧力因素，在这种情况下，梁的受力将不再是简支受力，梁端也出现了明显的受弯，其在结构中的重要性正如此前对应县木塔估算数据表明的那样非常显著。四 对古建类结构设计与强度计算的建议17对此问题应区别仿古建、复古建、维修古建三方面来谈（由于中国古建巧妙地采用了隔震技术，故这里暂不谈有关地震问题，另见下节） 。4.1 就仿古建而言，在当今多元文化气氛下已不再视作冒牌假货，它实际是古建随科技进展的延伸发展。对其建造的宗旨是其功能应满足现代化使用要求，快好省建成。对其外形观感要求具备中国传统风格神韵气质。这类建筑一般规模不是很小，对其建造是存在与现代结构进行造价省，施工快，优劣方面的激烈竟争。在此
24、情况下，对其设计应是尽量采用能有好省快效果的新结构为妥，如举架采用钢桁架甚至对顶斜梁加拉杆的三杆架、檩及椽条用薄壁钢管，柱用配筋砖柱、砼柱、钢管柱，屋面用瓦型彩钢板等。在此情况下，对结构的强度计算应是遵照国家现行设计规范进行。4.2 对复古建筑，它要求其在外形及内部骨架细部方面皆同古建。鉴于古建已有通用的营造法则，依其规定制做，自然会符合于对建筑要求的初衷。由于营造法则的制定在安全度方面都有较大安全保证，故不必另作设计计算，但进行中应根据已知的受力情况对薄弱处给予着重加强；必要情况18下作一点简化计算是必要的，可按实际据理进行。4.3 对古建维修，此项工作应是要求慎重仔细进行，对重要的大型古建
25、（如应县木塔）更应具有先期研究、测试配合的过程。由于古建结构自身存在建筑初期就具有的“受力较大截面受限的薄弱环节” （如柱头部位） ，因之修缮的着眼点须是应对薄弱环节，而对其它大多部位仅作一般针对腐朽、硬伤等特殊情况的查测，无问题即可放过。对薄弱环节如能采取有效的加固做法，使其恢复承载的原有安全度，则应避免落架形成拆了重建的大动作。针对此状况，对古建结构的强度计算就成为必须进行的环节，以作为对残破如何取舍处置的确切力学理论依据。一般情况下的计算工作可按以下建议的步骤进行。（1）对仅承受竖载的梁件，如无异常（腐朽、硬伤等） ，则可认为已经过承载历史的考验，不作处置。（2）对结构的抗侧（抗风）能力
26、，首先查看建筑中如存在布局完备，砌筑良好的墙砌体可协助抗风，则对上部木构也仅作一般查看，如无异常（腐朽、硬伤）情况，则可不作特殊处置。当19不存在能协助木构架抗风的墙体时，则应对木构架进行抗风计算。（3）对古建木构架计算的具体进展应是：第一步，在结构的各类柱中核查选出在竖载及侧力（风载）最不利组合作用下的最大柱底剪力 Vmax。第二步，分别按实际尺寸及用材树种计算该柱顶梁件可提供的，柱顶底传力移位的效应力矩Mb按公式（4）计算。及枋件端榫可承担的力矩Mf按公式（3）计算。第三步，将 Mb与 VmaxH（柱高）进行对比，如 MbV maxH则视木构架的抗侧能力可允许，对构架可不作大的处置。如 M
27、bV maxH，则须按公式（5）计算总的约束力矩 M，此时对式中的起步变形 S值应根据已有的调查资料或试验数据予以确定，当 MV maxH时，可视木构架的抗侧能力为允许。应当承认，在以上的计算中，对柱底剪力 Vmax的确定是存在着较大难度，这是因为从总体看：单个建筑中全结构承受的风载即为风对建筑的总风力，其对结构底层的总剪力是明确的。按作用风向，可确定参予工作的抗风构架，每排抗风构20架承担的风力应按抗侧刚度的大小比例分配，而后再求得分配于各柱的柱底剪力。这里说了简单，但从分配的操作层面上看有难度，它涉及屋顶或楼层面的刚性、各柱头的构造细节、枋端榫卯的加工精度及起步变形 S的量值及其均匀性、各
28、柱头 Mb与 Mf生成过程的应力应变特征都难以确定。这在目前缺泛调查、试验研究资料的情况下，如维修工程确属需要时，我们可以主要依据历史过程已有的结论及充分了解的现实情况，参照现代空间框架结构受力的思路及砌体结构设计中引用空间性能影响系数的做法，通过比对、思索、判断的概念分析手段，适当留有安全余地来给予确定。此项工作是难，但只要考虑周全、慎细推敲，这从既往工程经验 7、8 来看，还是可行的。五 中国古建结构当时与西方建筑相比是伟大的辉煌成就5.1 千年前中国古建就采用了隔震技术从建成已 950年的应悬木塔（高 66m、重2940吨）来看，在其近千年的历史中，它经历过的地震 6有：1057 年的河
29、比固安地震 6.75级、1102年的太原地震 6.5级、1305 年的怀仁应县地21震 6.5级、1337 年的怀来地震 6.5级、1367 年的朔县地震 5.5级、1484 年的居庸关地震 6.75级，至今建筑状况良好，结构安全无恙。这从结构抗震的角度来看，令人费解实属奇迹。但深层思索，并从当今兴起的结构隔震角度来看，则它无疑是结构隔震历史上的应用面最广，出现历史最早的伟大创举。对其属于隔震的机制我们可从下述方面看出。（1）从力学原理来讲：建筑结构无论承受何种外力，该外力必须通过结构内部的工作（产生弯矩、轴力、剪力）传给地基取得平衡之后才能确保结构的安全。风力对结构的作用是将风这一水平外载直
30、接施加给结构上，通过结构内各部受力应变传递将水平外载传给地基。这里最可直观感知、意识到的就是底层柱承受的层间剪力即柱在顶底两面上承受方向相反的水平力。在此状况下柱要倾倒，于是柱顶的梁枋提供约束力矩 Mb及 Mf制止柱的倾倒此即前述的柱抗风机制。（2）但地震对结构的作用与风载作用不同。地震是从地面瞬间产生位移起始而出现的。对于当今的常规建筑结构、不论砖石结构、砼结构、22其墙、柱对地基甚至顶部梁多是刚性固接，这就使瞬间的地面位移量通过墙、柱的层间剪力向上传递，使上层也出现瞬间位移并伴随有放大效应12，层层出现的瞬间位移是有着瞬间加速度的反应，有加速度就出现力这对建筑产生的危害是人所共知的。对于中
31、国古建木构架来讲，它却和当今常规结构有着全然不同的以下特点：木构架皆为木柱支承。一律不设支戗类斜1撑构件。柱底立于柱础石上、柱顶平放梁件、上下2皆为明显的铰接，对木柱不提供嵌固效应。因之，就梁柱关系而论，柱属于上下铰支。若计及此前所述梁对柱所具有的“柱顶底传力移位效应力矩Mb”，该 Mb也仅是对出现摆动的柱提供复位功能，而不引发层剪力。柱与枋件的连接皆为燕尾榫相连。由于该3榫的就位是由柱顶顺槽落下挤入卯槽，下落过程中外卡柱面、内挤卯槽斜壁，且又是整根枋件同时左右落下就位，故施工必然存在允许的松驰误差，这使柱在出现起步变形 S之前所形成柱与枋的关系也是铰接。细究有关起步变形 S的影响大小，可作如
32、423下估算：设榫在拉紧挤实卯槽侧面的过程中须产生 1.5mm的顶缘变形，而底缘的枋端与柱面密合缝隙，贴紧柱面也要有 1.5mm的底缘变形，今设枋件高 200，柱高 4m，则由于榫的密合接触带来柱顶出现相对位移 a的值可由下式求得。即 a=60mm205.14a此 a值表明：当地震时，地面位移小于 60mm时，木构架中的枋件是不参预工作不约束柱的变形，亦即柱的工作属于上下端皆为铰接。（3）通过上述可看出，中国古建结构对地震的反应与当今常规结构的反应大有差异，它在枋端榫出现起步变形之前，即枋件不对柱的侧倾提供约束力矩的情况下，柱的工况是上下为铰。这样，地震出现瞬间反复的地面位移对柱就形成不了有效
33、的层间剪力（梁放柱顶之上尤如梁端放在一个可转动的直径同柱高的巨型辊轴之上） ，各层柱皆无剪力，而地震对结构造成的仅是接触地面的底层柱的摇晃摆动，上部则基本平稳无事。此效果也正是当今结构工程界热门追求的隔震处置。从应县木塔看，效果如此良好的隔震措施出现在千年以前，这无疑是当时一项举世的伟大创举。245.2 中国古建柱枋梁刚柔相济结构体系是十分成功的优越体系中国古建结构，不论是考究一点的民宅，还是帝王起居活动的宫殿，甚至庙、塔等类其上部结构构成的主件都具有柱、枋、梁（檩属其内）三类（它没有当今设计常用、工地临时多用、人类自古就熟悉用于扶持稳定柱的斜撑类构件） 。这使人们对于建筑的灵活使用大为方便，
34、可大开门窗，便于街道形成市面，甚至取消门窗形成亭、塔、榭。这类量大、历经数百年的木构古建能完整保存至今的事实，有力地说明了仅由柱、枋、梁（一般柱的高宽比以用 111，梁檩直压柱顶，上柱再压梁上，梁下必有枋，枋与柱以燕尾榫相连，梁枋间适当留隙）组成的古建柱枋梁木构体系，其受力性能是合理的，生命力是顽强的飓风不倒，地震不塌，技术成就之大就当时条件而论是惊人的。近一步讲，可从以下承重、抗风、隔震三方面看出。1 屋顶采用举架做法，这在出现力学理论之前，它对细径木料用于较大跨度条件是一项高明的技术手段。力学计算表明，举架底柁梁的弯矩比相等跨度梁的弯矩值有可能减小到 50%上下。252 采用少许加宽的柱身
35、（高宽比用 11，这与当今木结构、砼结构设计规范 2、3 中可允许高宽比到 3550 相比，明显看出匠师的用心所在） ，梁放柱顶，梁上再立柱的营造法则，这使梁在上下柱间具有了透榫的特性，具有了对柱较强的传力移位效应，在古建自重较大的情况下这使多层结构（如塔类建筑）的抗风能力大为加强。但同时由于上下层柱确系断开，故对隔震不存在不利影响。3 不用很简便的斜撑将柱支稳，而是选设两端做燕尾榫的枋件（初看，与承受竖重丝毫无关）与柱卯接，此营造法则使结构具有了能成功隔震的机制，从而使地震对结构的危害减为最小；同时对单层的抗风能起可靠作用。可以想象以上在承重、抗风、隔震三方面结构都具有优越性的古建，其对柱枋
36、梁刚柔相济而不倒的三要素（取消斜撑用宽柱、梁出悬头隔开上下柱，设枋做榫卯连柱）的构成绝不会是随机偶然的组合。它是古代具有超凡悟性智慧的匠师们通过代代相传对飓风、强烈地震的观察、思索、比试、分析。不断地悟出力学上一点一滴的感知概念知识！不断发展、改进直至成熟，虽然他们26缺泛力学的理论根底，但他们聚合积累的深刻感认知识使他们能稳重屡进地对古建结构作出飓风不倒，地震不塌的法则决策与不朽的工程业绩。5.3 在结构技术上中西古建的对比人类自从有了营造意识以来，就一直为改进人们生活居住的房舍而努力，在技能底下，工具简陋的营造作业历史长河中，人们都是面对取材广泛的林木，着力进行着以木材为主的房舍营造。以木
37、为主这不是那个民族或那个帝王的旨意。它是由技术与物质条件所决定，一是材料来源广泛；二是搬运与加工相对比较方便；三是在其内生活较比舒适。就此基本条件而论，可谓东西方的房舍营造是同时起步的。然而直至现代科技（力学、钢材、水泥）出现时，东西方在房舍营造的技术、艺术、遗留古迹方面却出现了巨大差异。中华古建首先由于对古建结构采用了刚柔并相济的柱枋梁处置超凡技术，能确保建筑来飓风不倒，遇地震不塌、传承稳固，使附于其表的建筑造型艺术美代代发展、光彩倍增、达到辉煌灿烂的地步。而西方的古建木构由于结构技术未能突破大自然暴力的限制，屡遭飓风、地震的摧残而不能形成传承发展的体系，故而至今显得茫然27无存。不可否认西
38、方有着不少壮丽的石砌宗教类型建筑，但它不是为人们的生活起居所用，而是要体现宗教的神力。它是宗教对立时代各自宣扬的映证，更是奴隶社会特有的成品。这些巨大的石砌结构在技术上除了石材的超高堆砌之外，别无其它结构技术特长之处。六 中国古建的今后工作当今的建筑结构已进入有电脑参予的时代，这与对力学理论都全然无知的古建盛兴时期大为不同的是：建设场面无限、用材皆来自大工业生产、性能特出完备，营造过程皆有大工业设备的强力支撑，工程的结构设计进入了数值定量、比对、优化决择。科技一体化的潮流已不再有东西方建筑的差别，但存在早进晚入（我国就比西欧晚了一百多年，这是我们民族的遗憾） 。在这种情况下，曾经辉煌上千年的中
39、国古建必然应该是光荣退休，在大局面上让位给现代建筑事业。然而，中国古建是远源流长、博大精深中华文化的重要载体，具有对全球华人凝聚力的重要特征。因此，对古建的维护，在特殊场地建造一些也能好快省完工的仿古建筑，及至在新建筑领域中适当显现具有古建特色的气质、风韵点缀就成为古建28事业退休后的一些课题，择其要者可有以下几点：（1）对古建的维护应着重研究柱梁枋三件交接部位，对薄弱环节的强度计算与补强加固的细部处置技术，以减少大修中的落地换件。（2）对复古的亭榭类建筑应开展一些必要的科学试验研究（如对本文中 Mf、M b、S、K 值的测试）提出对榫卯制作精度的要求，以增强古建结构的科学性、做到对安全度评价
40、心中有数。（3）要推动仿古建工作的研究进行，要认清它不是冒牌古建，而是与现代技术结合的发展进步。应在其中尽量用好新技术、新材料如钢结构、彩板瓦等。也应做好有关古建构造、节点所需备件的研究、生产及供应等工作，以摆脱需要时供货难求的困境。参考文献1马炳坚. 中国古建筑木作营造技术. 科学出版社.2木结构设计规范 GB50005-2003. 中国建筑工业出版社.293混凝土结构设计规范 GB50010-2002. 中国建筑工业出版社.4李允铄. 华厦意匠中国古典建筑设计原理分析. 天津大学出版社.5陈国莹. 应县佛宫寺释迦塔的自重估算 古建园林技术 总 4期6孟繁兴，张畅耕.应县木塔维修加固的历史经验 古建园林技术 总 73期7李豪邦. 高层建筑中结构转换层的新形式斜柱转换. 建筑结构学报 1997.28 李豪邦. 利用暗桁架提高砌体结构的工作性能. 建筑结构 1997.29刘大可. 中国古建筑瓦石营法 .科学出版社.10J.E戈登. 强韧材料的科学. 科学出版社.11建筑结构荷载规范 GB50009-2001. 科学出版社. 中国建筑工业出版社.12周福霖. 工程结构减震控限性制. 地震出版社.
