中国古建筑抗震能力逆天，能抗住10级地震吗？

啊城仔

我国是一个多地震的国家，是世界上地震活动水平最高、地震灾害最严重的国家之一，华北、西北、东南、西南地区均为强地震分布带。然而，我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验，古建筑为何能抗震？它们又是怎么抗震的？
在保留至今的众多古代木结构建筑中，天津蓟县的独乐寺和山西应县木塔、北京故宫在抗震方面的表示尤其突出。
案例
天津蓟县
独乐寺
经历28次地震不倒
独乐寺位于天津蓟县盘山脚下，始建于唐代，寺内的不雅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，“蓟县城官廨民舍无一幸存，不雅观音阁独不圮。”1976年唐山大地震，蓟县城内房屋倒塌不少，不雅观音阁及山门的木柱略有摇摆，不雅观音像胸部的铁条被拉断，但整个大木构架安然无恙。












独乐寺不雅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，不雅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，通过七层木块的彼此交织，达到了彼此连接固定的作用，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。






山西
应县木塔
“明五暗四”刚柔结合
应县木塔位于山西省应县城西北佛宫寺内，建于辽清宁二年(1056年)，应县木塔处于大同盆地地震带，建成近千年来，经历过多次大地震的考验。






据史书记载，在木塔建成200多年之时，本地曾发生过6.5级大地震，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。












应县木塔之所以有如此强的抗震能力，其奥妙也在于独特的木结构设计。木塔除了石头基础外，全部用松木和榆木建造，并且构架中所有的关节点都是榫卯结合，具有必然的柔性；木塔从外表看是五层六檐，但每层都设有一暗层，明五暗四，实际是九层，明层通过柱、斗拱、梁枋的连接形成一个柔性层，各暗层则在内柱之间和表里角柱之间加设多种斜撑梁，加强了塔的结构刚度。这样一刚一柔，能有效抵御地震和炮弹的破坏力。
北京故宫
历经597年，200多场地震仍屹立不倒
故宫作为全世界现存最大的木质建筑群之一，将近600年来，经历过数不清的雷电风雨，变化、战争以及200多场地震，次次都安然无恙，这让全世界都震惊了。于是英国电视台专程扛着摄像机，跑到北京，试图解开它背后的奥秘。






为了揭开本相，故宫的专家特意做了一次关于地震模拟实验，首先选择合适的木材，手工凿孔、打磨......






建成的这座1:5的故宫模型，全程没有使用过一根钉子，一滴胶水，用的是中国最老的建筑结构：榫卯和斗拱。






当搭建完成后，学者感到非常不成思议，这个木头房子，真的够结实嘛？随即我们的工作人员拧开了模拟开关，4.5、5.0的地震级别，你可以看到，整个模型都开始摇晃了起来。






等强度加到7.5级时，两边的砖墙再也承受不住，轰然倒塌，戴着安全帽的英国学者，本能的往后一缩。






故宫专家倒是很镇静，让助手再加大力度——9.5级！要知道模型不外是木头建造的，9.5级的震感，相当于200万吨炸药的杀伤力了。






直到升到10.1级时，墙体早已倒塌成一片废墟，剧烈的摇晃下，模型的柱子，部分都已经离开了地面，眼看它就要倒塌......






但当30秒的模拟地震结束后，它依旧稳稳的立在那里，只是位置有一点偏移。






英国学者紧紧地握着故宫专家的手，激动的说：太！完！美！了！
材料
以柔克刚
木材富韧性力学性能好
西方砖石结构是刚性结构建筑体系，中国土木结构是柔性结构建筑体系，西方人以刚性的砖石结构抵抗自然灾害，中国人以柔性的土木结构防御了地震的破坏，前者是“以刚克刚”，后者是“以柔克刚”。






在防震方面，主要依靠木结构。木材是一种质轻、力学性能好的建筑材料，它具有必然的柔性，在外力的作用下比力容易变形，但在必然程度内又有恢复变形的能力。
传统木构架都是采用均衡对称的柱网平面和梁架安插，使其形成一个具有必然柔性的整体框架结构体系，本地震袭来时，建筑便通过自身的变形消化地震力对结构的破坏能量，从而在必然限度内保障了建筑的安全性。
结构
古建筑的
台基
整体浮筏式基础
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。












这两张图能非常清楚的看到什么叫做梁柱式结构，即框架式结构。








天坛祈年殿的最高级台基
台基是中国木结构建筑的特有部分，高出自然地平2～5 米，是上部建筑结构的基础，包罗基础、磉墩、柱础以及拦土墙等，外面砌筑台帮。基础部分多以夯土和碎石隔层筑打而成，可以看做是刚度分层的地基，具有柔性隔震作用。






在台基之内，按柱子的位置用砖石砌磉墩，磉墩上放柱顶石，柱顶石上立柱。磉墩与磉墩之间砌成与磉墩同高的拦土墙作条形基础，拦土墙将台基内分为若干方格，提高了柱基的水平抗力。填土中掺入碎砖瓦、石灰、烧土碎块等，分层夯成。四周用条石、片石或砖层砌成台帮，可为台基提供良好的侧限约束，保证了台基的整体性。
斗拱
是古建筑抗震中的又一位重要“兵士”
斗拱是中国古代建筑抗震的又一位重要“兵士”，在地震时它像汽车的减震器一样起着变形消能的作用。






它是由若干斗形的木块和弓形的短枋木彼此交接组合而成的构件，用在柱头顶或额枋之上，起着承托梁架和出挑屋檐的作用。






本地震发生时，屋顶与柱之间的若干组表里檐斗拱像弹簧层一样起着变形消能的作用，从而大大减少了建筑物的破坏程度。












上图是当年梁思成先生所画的不同年代建筑的斗拱的图。我们可以明显的看到它们长成不同的样子。之前说到的一些木塔，一个建筑上就有六十多种斗拱。






斗拱不单能起到“减震器”的作用，并且被各种水平构件连接起来的斗拱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。
榫卯
抗击地震的关键






榫卯是极为精巧的发明，我们祖先早在7000年前就开始使用，这种不消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，不单可以承受较大的荷载，并且允许产生必然的变形，在地震荷载下通过变形吸收必然的地震能量，减小结构的地震响应。




































其他部件
表现建筑架构整体性
还有如柱子的生起、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，增强了结构的不变性；柱顶、柱脚别离与阑额、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，有效地避免了柱头、柱脚的移动，增强了建筑构架的整体性。






圆觉寺舍利殿立面与断面建筑示意图（上图）
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，如独乐寺不雅观音阁、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。






明永乐十四年·长陵祾恩殿 剖面图（上图）
结语
中国古代建筑在漫长的发展过程中能够始终保持本身的个性，有其必然性。对中国古建筑抗震性能评价最高的是《中国古代建筑技术史》。“各国研究抗震建筑，追求的最高目标是按9度设防，我国古代传统木构架建筑，一般都可以基本上达到这个目标，这不能不说是我国古代应用科学方面的一项惊人成就。”