1、 以柔克刚中国传统木结构建筑抗震抗震建筑摘要: ：古建筑木结构在中国传统文化中占有相当重要的地位。从某种意义上来说,它代表着中国古代科技的发展水平,聚集历史的发展，艺术和科学完美体现。与西方砖石结构建筑的“以刚克刚”不同，中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时，采用的是“以柔克刚”的思维，通过种种巧妙的措施，其目标损坏到最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。在 512 汶川大地震中，许多文物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种柔性框架结构使得在抗震中得以完美体现，然而榫卯连接方式是中国古代的一项伟大建筑技术创造,3500 年前,我国就基本形成用榫卯连接梁柱的框架体系
2、,榫卯连接是确保古建筑木结构具有良好的抗震性能的关键措施之一。然而榫卯连接以柔克刚的体现出来它的独特之处。关键词：建筑 榫卯连接 抗震一柔性的框架结构：墙倒屋不塌。 与西方砖石结构建筑的 “以刚克刚” 不同，中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时，采用的是“以柔克刚”的思维，通过种种巧妙的措施，其目标是以最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验，如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县木塔等建筑，千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立。当代建筑设计以抵御 9 度地震为目标，而我国传统的木结构建筑基本上能达到这个要求，而且其代价远远小于西方的“刚”，不能不让
3、人叹服“柔”的力量。 中华民族不但自文明伊始就睿智地选择了木材等有机材料作为结构主材，而且发展形成了世界上历史最悠久、持续时间最长、技术成熟度最高的结构体系 柔性的框架体系。我国木结构技术的发展，若仅从浙江余姚河姆渡遗址算起，迄今至少已有近 7000 年的历史。作为对比，西方数千年中一直采用承重墙体系，直到工业革命以来、近现代科学技术发展之后，才意识到框架结构的优越性，遂开始大规模地普及，更值得玩味的是，这种框架体系仍然是“以刚克刚” 。而中国的传统木结构，具有框架结构的种种优越性，如“墙倒屋不塌”的功效，但其柔性的连接，又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。这次汶川大地震中，许多文
4、物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。 二整体浮筏式基础、斗栱、榫卯：抗击地震的关键我国古代很少建造平面复杂的建筑，主要采用长宽比小于 2:1 的矩形。规则的平面形态和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间的一间(当心间)最大，两侧的次间、梢间等依次缩小面宽，这样的设计非常有利于抵抗地震的扭矩。 中国古代建筑一般由台基、梁架、屋顶构成，高等级的建筑在屋顶和梁柱之间还有一个斗栱层。中国古代建筑的台基用现代结构语言描述，堪称“整体浮筏式基础”，好比是一艘大船载着建筑漂浮在地震形成的“惊涛骇浪”中，能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏，减少地震波对上部建
5、筑的冲击。中国传统建筑的梁架一般采用抬梁式构造，在构架的垂直方向上，形成下大上小的结构形状，实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。优雅的大屋顶是中国古代传统建筑最突出的形象特征之一，而且对提高建筑的抗震能力也做出过相当的贡献。形成大屋顶( 尤其是庑殿顶、歇山顶等)需要复杂结构和大量构件，大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性；庞大的屋顶以其自重压在柱网上，也提高了构架的稳定性。 斗栱是中国古代建筑抗震的又一位重要战士，在地震时它像汽车的减震器一样起着变形消能的作用。历史上，很多带斗栱的建筑都能抵御强烈地震，比如山西大同的华严寺，在没有斗栱的低等级附属建筑被破坏殆尽的情况下，带斗栱的主要殿堂仍能幸
6、存，充分说明了斗栱对抗震的贡献。斗栱但能起到“减震器”的作用，而且被各种水平构件连接起来的斗栱群能够形成一个整体性很强的“刚盘”，按照“ 能者多劳 ”的原则把地震力传递给有抗震能力的柱子，大大提高了整个结构的安全性。 除了这些较显著的手法外，中国古代传统建筑中还使用了大量的其他技术措施，这些措施是古建筑抗震的关键。比如榫卯的使用：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，这种不用钉子的构件连接方式，使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚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，减小结构的地震
7、响应。又比如柱子的生起、侧脚等技法降低了建筑的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了结构的稳定性；柱顶、柱脚分别与阑额、地袱以及其他的结构构件连接，使柱架层形成一个闭合的构架系统，用现代术语来说，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱头、柱脚的移动，增强了建筑构架的整体性。梁架系统通过阑额、由额、柱头枋、蜀柱、攀间、搭牵、梁、檩、椽等诸多构件强化了联系，显著增强了结构的整体性；柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦，进而有效地产生隔震作用；在高大的楼阁中，如独乐寺观音阁、应县木塔等，都在暗层中设有斜撑，大大强化了构架对水平冲击波反复作用的抵抗能力；在外檐柱间设置较厚的墙体，起到现
8、代建筑中“剪力墙”的作用诸如此类，举不胜举，大到建筑群体的布局处理，小到构件断面的尺寸设计，处处都展示出古代工匠们在抗震设计方面的知识和匠心。中国古代建筑抗震能力的杰出代表 山西应县佛宫寺释迦塔(应县木塔 )是中国古代传统建筑杰出抗震能力的集中代表。这座木塔是当今世界现存最高的木结构建筑，竣工于 1056 年，处于大同盆地地震带上。木塔建成 200 多年即遭受大震，余震连续 7 天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔岿然不动；在此后的近千年中，木塔经历了多次大地震的考验而安然无恙。在战乱之际，木塔还承受过 200 余发炮弹的轰击，亦无大损。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述诸多抗震技法的综合
9、和提高：木塔平面是规则的正八角形，利于抵抗地震波产生的扭曲力；木塔高达 4.4 米的砖石基座坚实、稳定，形成一个“浮筏”，承载着全塔的重量 (约 1300 吨)；木塔内梁与柱的连接完全通过斗栱完成，各种构件则通过榫卯连接，全塔的主要构件不用一钉一铆，这种连接形式类似于半固结半活铰的状态，能承受较大的弯矩；构架水平分层，在地震波中的垂直冲击波攻击下，可以通过“弹跳”的方式消解巨大的破坏能量；构架的整体性有力地抵抗旋转波，所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架，保证了构架的稳定性；柱子之间砌筑有厚实的墙体，牢牢地“抱”住各柱子，增加了构架的整体性，而且这些墙体能作为剪力墙发挥作用；立柱侧脚、
10、平面逐层缩小，有效地降低了塔的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了塔的稳定性，这样既使塔身形成美丽的曲线，又能把水平的地震冲击力分解成垂直方向的压力；周边有一圈柱廊，各圈柱廊被水平构件连接成一个刚中带柔的整体；为了加固结构框架，在八边形木塔的四个斜向应面上，自上而下采用了剪刀撑做法。 整座木塔表现出结构、技术与艺术形象的高度和谐，表里如一，这是中国古代木结构建筑，也是我们中华民族的“传统美德”之一。在近千年前我们的祖先就能建造出如此庄严美丽而坚固耐久的建筑，充分显示出当时的匠人对数学、力学、材料学、结构学的研究已经相当深入，而且对地震的破坏机理已有了相当的了解，抗震经验已积累到了很高的水平，
11、既令人惊奇，也令人自豪。 （来源：中国国家地理杂志）榫卯结构是实木家具中通常在相连接的两构件上采用一种凹凸处理的接合方式。凸出部分叫榫（或榫头） ；凹进部分叫卯（或榫眼、榫槽） 。这种形式在我国传统家具中达到很高的技艺水平，同时也常见于其他木、竹、石制的器物中。我国家具把各个部件连接起来的“榫卯 ”做法，是家具造型的主要结构方式。各种榫卯做法不同，应用范围不同，但它们在每件家具上都具有形体构造的“关节” 作用。几十种不同的 “榫卯”，按构合作用来归类，大致可分为三大类型：一类主要是作面与面的接合，也可以是两条边的拼合，还可以是面与边的交接构合。如“槽口榫” 、“企口榫”、“燕尾榫”、“ 穿带榫
12、”、“ 扎榫”等。另一类是作为“点”的结构方法。主要用于作横竖材丁字结合，成角结合，交叉结合，以及直材和弧形材的伸延接合。如“格肩榫” 、“双榫” 、“双夹榫”、“勾挂榫”、“ 锲钉榫”、“半榫”、“通榫”等等。还有一类是将三个构件组合一起并相互连结的构造方法，这种方法除运用以上的一些榫卯联合结构外，都是一些更为复杂和特殊的做法。如常见的有“托角榫” 、“长短榫”、“抱肩榫 ”、“ 粽角榫 ”等。 中国木结构古建筑有着其独特的结构体系,是我国重要的古建筑文化遗产,具有重要的艺术价值、历史意义和科学价值。本文以殿堂木结构为研究对象,通过试验分析、理论分析和数值模拟,推导出了榫卯节点和铺作层之间的
13、半刚性单元的刚度矩阵 ,即采用组合式弹簧单元作为柱脚与础石、榫卯节点和铺作层之间的连接单元,对其有限元模型进了地震反应分析,随后建立木结构古建筑的动力方程,对其隔振性能进行了研究 ,并通过对营造法式中的殿堂和厅堂模型结构的分析,求解出了结构各个层面的地震放大系数 ,并提出了相应的加固措施。通过对木结构古建筑抗震性能的研究,可为其保护、维修、加固提供理论依据和技术参考,对现代结构抗震研究也具有重要的借鉴意义。 本文对木结构古建筑结构体系的产生和发展做了简单的概述,对其结构体系、构造的力学特性进行了简单的分析 ,并根据相关的研究文献和营造法式中的木结构建筑,对木结构的结构体系进行了抗震性能的研究和
14、力学特性的理论研究和分析。分析结果表明:木结构古建筑具有较好的抗震性能 ,其抗震性能主要体现在基础的隔振、榫卯节点和铺作层之间的弹塑性变形、摩擦滑移而隔振耗能。全文的主要内容和结论如下: 假定榫卯节点和斗栱为半刚性单元,根据相关的半刚性节点理论和木结构古建筑模型的振动台实验确定榫卯节点和斗栱的刚度系数,应用有限元软件 SAP2000 建立了木结构试验三维有限元分析模型,对模型进行动力特性和地震反应分析 ,探讨模型的振动形态和抗震性能,并对其进行隔振分析,建立隔振体系的力学模型和动力平衡方程,通过数学分析软件 MATLAB 计算出隔振率,结果反应出木结构古建筑具有较好抗震机理和隔振性能。 与此同
15、时,根据前文分析的理论和依据,并依据营造法式中二等材殿堂等七铺作(副阶五铺作)双槽草架侧样图样和厅堂等十架椽间缝内用梁柱侧样(十架椽屋分心用三柱)图样结构,采用有限元分析软件 ANSYS9.0,建立了的有限元分析模型,对其进行了动力特性和地震反应分析。分析的结果表明:木结构古建筑具有较好的抗震和隔振性能,不论殿堂还是厅堂,其结构整体动力放大系数均为 0.445。根据分析结果和结构在地震中的破坏特点,提出了采用三维环向延时阻尼器加固木结构的方法,对现代结构抗加固也具有一定的参考价值。与西方砖石结构建筑的 “以刚克刚“不同，中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时，采用的是“以柔克刚“的思维，通过种
16、种巧妙的措施，其目标是以最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验，如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县木塔等建筑，千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立。当代建筑设计以抵御 9 度地震为目标，而我国传统的木结构建筑基本上能达到这个要求，而且其代价远远小于西方的“刚“，不能不让人叹服“柔“的力量。中华民族不但自文明伊始就睿智地选择了木材等有机材料作为结构主材，而且发展形成了世界上历史最悠久、持续时间最长、技术成熟度最高的结构体系 -柔性的框架体系。我国木结构技术的发展，若仅从浙江余姚河姆渡遗址算起，迄今至少已有近 7000 年的历史。作为对比，西方数千年
17、中一直采用承重墙体系，直到工业革命以来、近现代科学技术发展之后，才意识到框架结构的优越性，遂开始大规模地普及，更值得玩味的是，这种框架体系仍然是“以刚克刚“。而中国的传统木结构，具有框架结构的种种优越性，如“墙倒屋不塌“的功效，但其柔性的连接，又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。这次汶川大地震中，许多文物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。整体浮筏式基础、斗栱、榫卯：抗击地震的关键我国古代很少建造平面复杂的建筑，主要采用长宽比小于 2:1 的矩形。规则的平面形态和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间的一间(当心间)最大，两侧的次间、
18、梢间等依次缩小面宽，这样的设计非常有利于抵抗地震的扭矩。中国古代建筑一般由台基、梁架、屋顶构成，高等级的建筑在屋顶和梁柱之间还有一个斗栱层。中国古代建筑的台基用现代结构语言描述，堪称 “整体浮筏式基础“，好比是一艘大船载着建筑漂浮在地震形成的“惊涛骇浪“中，能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏，减少地震波对上部建筑的冲击。中国传统建筑的梁架一般采用抬梁式构造，在构架的垂直方向上，形成下大上小的结构形状，实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。优雅的大屋顶是中国古代传统建筑最突出的形象特征之一，而且对提高建筑的抗震能力也做出过相当的贡献。形成大屋顶(尤其是庑殿顶、歇山顶等)需要复杂结构和大量构件，
19、大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性；庞大的屋顶以其自重压在柱网上，也提高了构架的稳定性。斗栱是中国古代建筑抗震的又一位重要战士，在地震时它像汽车的减震器一样起着变形消能的作用。历史上，很多带斗栱的建筑都能抵御强烈地震，比如山西大同的华严寺，在没有斗栱的低等级附属建筑被破坏殆尽的情况下，带斗栱的主要殿堂仍能幸存，充分说明了斗栱对抗震的贡献。斗栱但能起到“减震器“的作用，而且被各种水平构件连接起来的斗栱群能够形成一个整体性很强的“刚盘“，按照“能者多劳“的原则把地震力传递给有抗震能力的柱子，大大提高了整个结构的安全性。除了这些较显著的手法外，中国古代传统建筑中还使用了大量的其他技术措施，这些措施是
20、古建筑抗震的关键。比如榫卯的使用：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，这种不用钉子的构件连接方式，使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚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，减小结构的地震响应。又比如柱子的生起、侧脚等技法降低了建筑的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了结构的稳定性；柱顶、柱脚分别与阑额、地袱以及其他的结构构件连接，使柱架层形成一个闭合的构架系统，用现代术语来说，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱头、柱脚的移动，增强了建筑构架的整体性。梁架系统通过阑额、由额、柱头
21、枋、蜀柱、攀间、搭牵、梁、檩、椽等诸多构件强化了联系，显著增强了结构的整体性；柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦，进而有效地产生隔震作用；在高大的楼阁中，如独乐寺观音阁、应县木塔等，都在暗层中设有斜撑，大大强化了构架对水平冲击波反复作用的抵抗能力；在外檐柱间设置较厚的墙体，起到现代建筑中“剪力墙“ 的作用诸如此类，举不胜举，大到建筑群体的布局处理，小到构件断面的尺寸设计，处处都展示出古代工匠们在抗震设计方面的知识和匠心。应县木塔 中国古代建筑抗震能力的杰出代表山西应县佛宫寺释迦塔(应县木塔)是中国古代传统建筑杰出抗震能力的集中代表。这座木塔是当今世界现存最高的木结构建筑，
22、竣工于 1056 年，处于大同盆地地震带上。木塔建成 200 多年即遭受大震，余震连续 7 天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔岿然不动；在此后的近千年中，木塔经历了多次大地震的考验而安然无恙。在战乱之际，木塔还承受过 200 余发炮弹的轰击，亦无大损。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述诸多抗震技法的综合和提高：木塔平面是规则的正八角形，利于抵抗地震波产生的扭曲力；木塔高达 4.4 米的砖石基座坚实、稳定，形成一个“浮筏“，承载着全塔的重量(约 1300 吨)；木塔内梁与柱的连接完全通过斗栱完成，各种构件则通过榫卯连接，全塔的主要构件不用一钉一铆，这种连接形式类似于半固结半活铰的状态，能承
23、受较大的弯矩；构架水平分层，在地震波中的垂直冲击波攻击下，可以通过“弹跳“的方式消解巨大的破坏能量；构架的整体性有力地抵抗旋转波，所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架，保证了构架的稳定性；柱子之间砌筑有厚实的墙体，牢牢地“抱“住各柱子，增加了构架的整体性，而且这些墙体能作为剪力墙发挥作用；立柱侧脚、平面逐层缩小，有效地降低了塔的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了塔的稳定性，这样既使塔身形成美丽的曲线，又能把水平的地震冲击力分解成垂直方向的压力；周边有一圈柱廊，各圈柱廊被水平构件连接成一个刚中带柔的整体；为了加固结构框架，在八边形木塔的四个斜向应面上，自上而下采用了剪刀撑做法。整座木塔表现出结构、技术与艺术形象的高度和谐，表里如一，这是中国古代木结构建筑，也是我们中华民族的“传统美德“之一。在近千年前我们的祖先就能建造出如此庄严美丽而坚固耐久的建筑，充分显示出当时的匠人对数学、力学、材料学、结构学的研究已经相当深入，而且对地震的破坏机理已有了相当的了解，抗震经验已积累到了很高的水平，既令人惊奇，也令人自豪。
