當(dāng)人類告別洞穴學(xué)會(huì)用樹枝搭建遮風(fēng)擋雨的居所開始，建筑就伴隨著人類社會(huì)發(fā)展而日新月異。但在歷史的長河中，由于地理差異，逐漸形成兩大建筑結(jié)構(gòu)。一種是以磚石為主的堅(jiān)硬建筑，表現(xiàn)為歐洲的城堡和教堂；另一種是以天然木材為主的柔軟建筑，表現(xiàn)為中國的殿閣樓臺(tái)。
在現(xiàn)代工業(yè)文明到來之前，這兩大建筑類型在各自的地域和社會(huì)中不斷發(fā)展，幾乎達(dá)到了各自建造技術(shù)的極致。我們姑且暫時(shí)將城堡和教堂放在一邊，來看一看木結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)和抗震之謎。
震后不倒的木結(jié)構(gòu)建筑
在汶川地震中，四川都江堰青城山前山有部分木結(jié)構(gòu)的別墅建筑，在災(zāi)后的實(shí)地調(diào)查中人們發(fā)現(xiàn)，建筑面積約200平方米的木結(jié)構(gòu)房屋底層裂縫最多出現(xiàn)了6處，二層的裂縫最多出現(xiàn)了2處，但并不影響結(jié)構(gòu)安全性和正常使用。
清華大學(xué)建筑學(xué)院教授王貴祥在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)介紹，我國古代木結(jié)構(gòu)建筑有不少經(jīng)歷了數(shù)百上千年，仍然巋然屹立。
比如位于天津薊縣盤山腳下的獨(dú)樂寺，始建于唐代，寺內(nèi)的觀音閣和山門重建于遼代。自重建以后千余年來，獨(dú)樂寺曾經(jīng)歷了28次地震，其中清康熙十八年（1679年）三河、平谷發(fā)生8級(jí)以上強(qiáng)震，薊縣城內(nèi)官民房屋全部倒塌，只有觀音閣不倒。1976年唐山大地震，觀音閣及山門的木柱略有搖擺，但整個(gè)大木構(gòu)架安然無恙。
還有位于山西省應(yīng)縣城西北佛宮寺內(nèi)的應(yīng)縣木塔，建于遼清寧二年（1056年）。據(jù)史書記載，在木塔建成200多年時(shí)，當(dāng)?shù)卦l(fā)生過6.5級(jí)地震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，只有木塔巋然不動(dòng)。上世紀(jì)初軍閥混戰(zhàn)的時(shí)候，木塔曾被200多發(fā)炮彈擊中，除打斷了兩根柱子外，別無損傷。
2009年，日本和美國科學(xué)家進(jìn)行了一次木結(jié)構(gòu)建筑抗震實(shí)驗(yàn)。他們?cè)谝蛔鶎?shí)驗(yàn)工作臺(tái)上建造了一座7層高的木結(jié)構(gòu)建筑，然后制造一次相當(dāng)于里氏7.5級(jí)的人造地震，震動(dòng)持續(xù)了40秒鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)強(qiáng)烈地震有較高的耐受力。
天然木材以柔克剛
木結(jié)構(gòu)建筑為何有如此奇特的抗震性能呢？中國工程院院士、中國地震局工程力學(xué)研究所原所長謝禮立在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)指出，木結(jié)構(gòu)建筑擁有一定的抗震性能主要是由其材料決定的。中國古代木結(jié)構(gòu)建筑大多用天然木材，天然木材本身質(zhì)地較軟，比磚石混凝土和鋼材有更好的柔韌性，這就使天然木材可以承受更大的形變。同時(shí)，天然木材一般比較輕，整個(gè)建筑的重量就比磚混和鋼結(jié)構(gòu)的建筑要輕得多。這些都有利于抗震。
長期從事古建筑修繕工作的北京大前門公司總工程師高飛告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，一般木結(jié)構(gòu)建筑主要采用松木、杉木，這些針葉樹木既能承重又有韌性，而楊木、柳木因?yàn)橐讛嗔�，則不會(huì)用在木結(jié)構(gòu)建筑中。高級(jí)的木結(jié)構(gòu)建筑的連接件會(huì)用金絲楠木等成材年份長，韌度高的木材，但在國內(nèi)，這些名貴木材已經(jīng)在明清兩代被采伐殆盡。現(xiàn)在，故宮大殿翻修都很少更換柱子，因?yàn)槿绱藞?jiān)韌而且體量大的木材，國內(nèi)已經(jīng)沒有了，如果更換，就只能去非洲采購了。
高飛介紹，采伐后的木材并不能直接就用于建筑，因?yàn)檫@時(shí)的木材含水率很高，不加處理使用后會(huì)導(dǎo)致建筑日后變形。因此，木材采伐運(yùn)輸后，要進(jìn)行烘干，一種是自然晾干，但是耗時(shí)長，一種是逐漸加溫烘干，時(shí)間短。烘干后的木材在壓力下可以變形，但不會(huì)斷裂，壓力消失后，還可以恢復(fù)原樣。這也是天然木材作為建筑材料的優(yōu)勢(shì)。
可變形的框架結(jié)構(gòu)
除了天然木材本身的可塑特性外，木結(jié)構(gòu)建筑擁有可變形的框架結(jié)構(gòu)。比如，一把木椅子，你使勁晃動(dòng)，它會(huì)吱扭作響，但是椅子不會(huì)散架。
高飛告訴記者，我國古代木結(jié)構(gòu)建筑主要由四部分組成，分別是地基、基礎(chǔ)、墻柱、屋頂。其中，地基是由石灰、黏土和細(xì)砂所組成的三合土夯實(shí)的。地基上面是基礎(chǔ)，我國木結(jié)構(gòu)建筑的基礎(chǔ)一般是獨(dú)立基礎(chǔ)，也就是砌個(gè)大磚臺(tái)。這使基礎(chǔ)和上面的木建筑整個(gè)是一體的，一旦發(fā)生震動(dòng)，雖然下面的地基會(huì)晃動(dòng)，但是由于上面是個(gè)整體，所以晃動(dòng)而不散架。
而且木結(jié)構(gòu)建筑不像磚混建筑，它沒有承重墻，它的墻體只承受自身的重量而不承受建筑其他荷載。承重的只有柱子。
清華大學(xué)土木工程系教授錢稼茹在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)指出，木結(jié)構(gòu)建筑的支撐柱不是釘死在地基里的，而是放在石頭基礎(chǔ)上，也可以移動(dòng)。在汶川地震后，當(dāng)?shù)氐脑S多木結(jié)構(gòu)建筑的柱子就發(fā)生了移動(dòng)，但是建筑本身沒有倒塌。這種特點(diǎn)使人們?cè)诖蟮卣疬^后經(jīng)常看到“墻倒屋不塌”的景象。
如果說基礎(chǔ)和柱子讓木結(jié)構(gòu)建筑有個(gè)堅(jiān)實(shí)的下盤，那么不用釘子的構(gòu)件連接則是木結(jié)構(gòu)框架晃而不散的根源。
錢稼茹告訴記者，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件之間的連接方式可以有效地消解地震能量�，F(xiàn)代磚混建筑要求構(gòu)件連接緊固牢靠，一旦發(fā)生地震，過緊的連接沒有變形的余量，很容易斷裂。而木結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件連接是榫卯結(jié)構(gòu)，榫卯連接既不會(huì)讓各構(gòu)件分開，同時(shí)又有余量。
榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前就開始使用，已知出土最早的帶有榫卯結(jié)構(gòu)的木制品，就是河姆渡遺址發(fā)現(xiàn)的木地板。這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，使得我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排架、框架或者鋼架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量。
工藝精巧剛?cè)嵯酀?jì)
謝禮立告訴記者，除可變形的框架結(jié)構(gòu)外，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)造精致，無論是基礎(chǔ)、墻柱、屋頂，還是連接的榫卯和支撐房檐的斗拱，都設(shè)計(jì)巧妙，與磚混結(jié)構(gòu)建筑相比，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)造要復(fù)雜得多，這也使其擁有更大的變形承受力。
高飛介紹，木結(jié)構(gòu)建筑中有個(gè)獨(dú)特的構(gòu)件——斗拱。它很好地體現(xiàn)了分散受力的原理。在立柱和橫梁交接處，從柱頂上的一層層探出成弓形的承重結(jié)構(gòu)叫拱，拱與拱之間墊的方形木塊叫斗。兩者合稱斗拱。過去古建筑都要有屋檐，出挑的屋檐必須要有木料支撐才不會(huì)塌落。但是，如果用一根木料支撐，承受力顯然不夠，而且那么大的木料也并不好找。于是古代工匠就想出一個(gè)巧妙的辦法，將整根木料化整為零，在柱子上像搭積木一樣，縱橫交錯(cuò)逐級(jí)伸出，這樣不但用的木料少，而且承受力也比只用一根木料大得多。形象地說，斗拱就像個(gè)大彈簧，在木結(jié)構(gòu)建筑中起到了消解地震能量的作用。
獨(dú)樂寺觀音閣之所以在多次強(qiáng)震中屹立不倒，主要是斗拱起了作用，觀音閣的斗拱設(shè)計(jì)十分巧妙，在沒有一顆釘子固定的情況下，通過七層木塊的相互交織，達(dá)到了相互連接固定的作用，這樣在地震出現(xiàn)時(shí)能及時(shí)減緩?fù)獠康膲毫�，具有很�?qiáng)的抗震性能。
高飛告訴記者，除斗拱外，在木結(jié)構(gòu)建筑中由于柱子起到支撐整個(gè)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。我們平時(shí)在故宮、天壇看到的那些大殿的柱子都有復(fù)雜的加工工藝。一般要先把木材刨光打磨，之后在表面纏上麻絲，再在麻絲外刷上灰，等灰和麻絲固結(jié)干燥后，再重復(fù)五遍這樣的工藝，最后，再刷上防雨漆，才算大功告成。經(jīng)過這樣處理后的柱子可以支撐住木框架，保證建筑的一體性。
高飛指出，木結(jié)構(gòu)建筑中不用木材的地方有兩處，一是基礎(chǔ)、二是屋頂?shù)耐�。由于材質(zhì)不同，它們與木材之間是怎樣連接的呢？
首先說說基礎(chǔ)，由于柱子為木制，所以立柱與基礎(chǔ)之間放置柱腳石，以防止柱子受潮腐蝕。柱子、柱腳石、基礎(chǔ)三者之間是不存在可靠連接的，而是直接把柱腳石放置于基礎(chǔ)上，再把柱子立置于柱腳石上。這樣受到震動(dòng)時(shí)，柱子可以小幅度移動(dòng)。
瓦與木材是通過一種特制的粘合劑連接的，首先把青灰、白灰、麻刀絲拌勻，均勻地涂抹在屋頂木材上，大約涂4公分厚，之后，再涂上8公分厚的黏土與白灰混合的大泥，最后，把瓦鋪在這上面，等干燥后，瓦與木材就連接在一起了。所以，我們常�？吹揭恍┠甏眠h(yuǎn)的木結(jié)構(gòu)建筑屋頂上長草。
大范圍推廣有局限
既然木結(jié)構(gòu)建筑有很好的抗震性能，為何不大面積推廣呢？在謝禮立看來，木結(jié)構(gòu)建筑確實(shí)有較好的抗震性能，在地震多發(fā)的日本，低矮的木結(jié)構(gòu)建筑較多。但是人生活在地球上并不是只有地震這一種災(zāi)害要面對(duì)，房屋建筑還要滿足防風(fēng)、防雨、防火、防蟲蛀等多種要求，這樣看，木結(jié)構(gòu)建筑的功能就顯得單一了。因此，目前世界上的主要建筑還是以磚混建筑為主。
在高飛看來，盡管木結(jié)構(gòu)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，很難看到高于20米的木結(jié)構(gòu)建筑。由于現(xiàn)代建筑越建越高，所以木結(jié)構(gòu)建筑逐漸退出歷史舞臺(tái)，取而代之的是混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，而如果超過100米，則多用鋼結(jié)構(gòu)，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)重量比混凝土輕，而且抗拉伸力也較好。
錢稼茹也認(rèn)為，平時(shí)人們?cè)诿绹�、日本看到的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑多為一兩層的，這與木材的特性有關(guān)，對(duì)于高層建筑來說，天然木材力學(xué)性能有限，加上防火的要求，所以木結(jié)構(gòu)不適合高層建筑。
盡管木結(jié)構(gòu)建筑已不再是現(xiàn)代建筑舞臺(tái)的主角，但是其獨(dú)特的構(gòu)造理念和力學(xué)設(shè)計(jì)還是值得人們?nèi)パ芯亢徒梃b。
清華大學(xué)建筑學(xué)院教授王貴祥在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)認(rèn)為，盡管目前人們對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能有較為一致的觀點(diǎn)，比如，其可變形的框架結(jié)構(gòu)可以消解水平荷載積累的能量，但是具體原因仍然缺乏數(shù)理計(jì)算。
高飛也告訴記者，我國古代木結(jié)構(gòu)建筑的承載負(fù)荷不是靠力學(xué)公式計(jì)算出來的，而是通過工匠世代傳承、經(jīng)驗(yàn)積累出來的。比如什么樣的建筑，用多大的梁？多大的檁？文字并沒有記載，全靠工匠的經(jīng)驗(yàn)。我國木結(jié)構(gòu)建筑的書籍記載的只是工法，不像西方建筑學(xué)有復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算。
在王貴祥看來，目前，搞結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的學(xué)者往往都只盯著高層建筑，對(duì)古建筑不感興趣；而搞古建筑研究的學(xué)者又不掌握力學(xué)的數(shù)理計(jì)算方法，只研究古建筑的歷史、法式等。這種現(xiàn)狀造成對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑研究的空白。他建議，應(yīng)該設(shè)立跨領(lǐng)域的古代木結(jié)構(gòu)建筑研究學(xué)科，使對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的研究不再僅停留在歷史和文化層面。
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