木结构建筑的抗震之谜

木结构建筑的抗震之谜当人类告别洞穴学会用树枝搭建遮风挡雨的居所开始，建筑就伴随着人类社会发展而日新月异。

但在历史的长河中，由于地理差异，逐渐形成两大建筑结构。

一种是以砖石为主的坚硬建筑，表现为欧洲的城堡和教堂；另一种是以天然木材为主的柔软建筑，表现为中国的殿阁楼台。

在现代工业文明到来之前，这两大建筑类型在各自的地域和社会中不断发展，几乎达到了各自建造技术的极致。

我们姑且暂时将城堡和教堂放在一边，来看一看木结构建筑的特点和抗震之谜。

震后不倒的木结构建筑在汶川地震中，四川都江堰青城山前山有部分木结构的别墅建筑，在灾后的实地调查中人们发现，建筑面积约200平方米的木结构房屋底层裂缝最多出现了6处，二层的裂缝最多出现了2处，但并不影响结构安全性和正常使用。

清华大学建筑学院教授王贵祥在接受《中国科学报》记者采访时介绍，我国古代木结构建筑有不少经历了数百上千年，仍然岿然屹立。

比如位于天津蓟县盘山脚下的独乐寺，始建于唐代，寺内的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，蓟县城内官民房屋全部倒塌，只有观音阁不倒。

1976年唐山大地震，观音阁及山门的木柱略有摇摆，但整个大木构架安然无恙。

还有位于山西省应县城西北佛宫寺内的应县木塔，建于辽清宁二年（1056年）。

据史书记载，在木塔建成200多年时，当地曾发生过6.5级地震，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。

2009年，日本和美国科学家进行了一次木结构建筑抗震实验。

他们在一座实验工作台上建造了一座7层高的木结构建筑，然后制造一次相当于里氏7.5级的人造地震，震动持续了40秒钟。

实验结果显示，木结构建筑对强烈地震有较高的耐受力。

天然木材以柔克刚木结构建筑为何有如此奇特的抗震性能呢？中国工程院院士、中国地震局工程力学研究所原所长谢礼立在接受《中国科学报》记者采访时指出，木结构建筑拥有一定的抗震性能主要是由其材料决定的。

中国古代木结构建筑大多用天然木材，天然木材本身质地较软，比砖石混凝土和钢材有更好的柔韧性，这就使天然木材可以承受更大的形变。

同时，天然木材一般比较轻，整个建筑的重量就比砖混和钢结构的建筑要轻得多。

这些都有利于抗震。

长期从事古建筑修缮工作的北京大前门公司总工程师高飞告诉记者，一般木结构建筑主要采用松木、杉木，这些针叶树木既能承重又有韧性，而杨木、柳木因为易断裂，则不会用在木结构建筑中。

高级的木结构建筑的连接件会用金丝楠木等成材年份长，韧度高的木材，但在国内，这些名贵木材已经在明清两代被采伐殆尽。

现在，故宫大殿翻修都很少更换柱子，因为如此坚韧而且体量大的木材，国内已经没有了，如果更换，就只能去非洲采购了。

高飞介绍，采伐后的木材并不能直接就用于建筑，因为这时的木材含水率很高，不加处理使用后会导致建筑日后变形。

因此，木材采伐运输后，要进行烘干，一种是自然晾干，但是耗时长，一种是逐渐加温烘干，时间短。

烘干后的木材在压力下可以变形，但不会断裂，压力消失后，还可以恢复原样。

这也是天然木材作为建筑材料的优势。

可变形的框架结构除了天然木材本身的可塑特性外，木结构建筑拥有可变形的框架结构。

比如，一把木椅子，你使劲晃动，它会吱扭作响，但是椅子不会散架。

高飞告诉记者，我国古代木结构建筑主要由四部分组成，分别是地基、基础、墙柱、屋顶。

其中，地基是由石灰、黏土和细砂所组成的三合土夯实的。

地基上面是基础，我国木结构建筑的基础一般是独立基础，也就是砌个大砖台。

这使基础和上面的木建筑整个是一体的，一旦发生震动，虽然下面的地基会晃动，但是由于上面是个整体，所以晃动而不散架。

而且木结构建筑不像砖混建筑，它没有承重墙，它的墙体只承受自身的重量而不承受建筑其他荷载。

承重的只有柱子。

清华大学土木工程系教授钱稼茹在接受记者采访时指出，木结构建筑的支撑柱不是钉死在地基里的，而是放在石头基础上，也可以移动。

在汶川地震后，当地的许多木结构建筑的柱子就发生了移动，但是建筑本身没有倒塌。

这种特点使人们在大地震过后经常看到“墙倒屋不塌”的景象。

如果说基础和柱子让木结构建筑有个坚实的下盘，那么不用钉子的构件连接则是木结构框架晃而不散的根源。

钱稼茹告诉记者，木结构建筑构件之间的连接方式可以有效地消解地震能量。

现代砖混建筑要求构件连接紧固牢靠，一旦发生地震，过紧的连接没有变形的余量，很容易断裂。

而木结构建筑的构件连接是榫卯结构，榫卯连接既不会让各构件分开，同时又有余量。

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，已知出土最早的带有榫卯结构的木制品，就是河姆渡遗址发现的木地板。

这种不用钉子的构件连接方式，使得我国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者钢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。

工艺精巧刚柔相济谢礼立告诉记者，除可变形的框架结构外，木结构建筑构造精致，无论是基础、墙柱、屋顶，还是连接的榫卯和支撑房檐的斗拱，都设计巧妙，与砖混结构建筑相比，木结构建筑构造要复杂得多，这也使其拥有更大的变形承受力。

高飞介绍，木结构建筑中有个独特的构件——斗拱。

它很好地体现了分散受力的原理。

在立柱和横梁交接处，从柱顶上的一层层探出成弓形的承重结构叫拱，拱与拱之间垫的方形木块叫斗。

两者合称斗拱。

过去古建筑都要有屋檐，出挑的屋檐必须要有木料支撑才不会塌落。

但是，如果用一根木料支撑，承受力显然不够，而且那么大的木料也并不好找。

于是古代工匠就想出一个巧妙的办法，将整根木料化整为零，在柱子上像搭积木一样，纵横交错逐级伸出，这样不但用的木料少，而且承受力也比只用一根木料大得多。

形象地说，斗拱就像个大弹簧，在木结构建筑中起到了消解地震能量的作用。

独乐寺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，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，通过七层木块的相互交织，达到了相互连接固定的作用，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。

高飞告诉记者，除斗拱外，在木结构建筑中由于柱子起到支撑整个建筑的承重作用，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。

我们平时在故宫、天坛看到的那些大殿的柱子都有复杂的加工工艺。

一般要先把木材刨光打磨，之后在表面缠上麻丝，再在麻丝外刷上灰，等灰和麻丝固结干燥后，再重复五遍这样的工艺，最后，再刷上防雨漆，才算大功告成。

经过这样处理后的柱子可以支撑住木框架，保证建筑的一体性。

高飞指出，木结构建筑中不用木材的地方有两处，一是基础、二是屋顶的瓦。

由于材质不同，它们与木材之间是怎样连接的呢？首先说说基础，由于柱子为木制，所以立柱与基础之间放置柱脚石，以防止柱子受潮腐蚀。

柱子、柱脚石、基础三者之间是不存在可靠连接的，而是直接把柱脚石放置于基础上，再把柱子立置于柱脚石上。

这样受到震动时，柱子可以小幅度移动。

瓦与木材是通过一种特制的粘合剂连接的，首先把青灰、白灰、麻刀丝拌匀，均匀地涂抹在屋顶木材上，大约涂4公分厚，之后，再涂上8公分厚的黏土与白灰混合的大泥，最后，把瓦铺在这上面，等干燥后，瓦与木材就连接在一起了。

所以，我们常常看到一些年代久远的木结构建筑屋顶上长草。

大范围推广有局限既然木结构建筑有很好的抗震性能，为何不大面积推广呢？在谢礼立看来，木结构建筑确实有较好的抗震性能，在地震多发的日本，低矮的木结构建筑较多。

但是人生活在地球上并不是只有地震这一种灾害要面对，房屋建筑还要满足防风、防雨、防火、防虫蛀等多种要求，这样看，木结构建筑的功能就显得单一了。

因此，目前世界上的主要建筑还是以砖混建筑为主。

在高飞看来，尽管木结构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，很难看到高于20米的木结构建筑。

由于现代建筑越建越高，所以木结构建筑逐渐退出历史舞台，取而代之的是混凝土剪力墙结构，而如果超过100米，则多用钢结构，因为钢结构重量比混凝土轻，而且抗拉伸力也较好。

钱稼茹也认为，平时人们在美国、日本看到的现代木结构建筑多为一两层的，这与木材的特性有关，对于高层建筑来说，天然木材力学性能有限，加上防火的要求，所以木结构不适合高层建筑。

尽管木结构建筑已不再是现代建筑舞台的主角，但是其独特的构造理念和力学设计还是值得人们去研究和借鉴。

清华大学建筑学院教授王贵祥在接受记者采访时认为，尽管目前人们对木结构建筑的抗震性能有较为一致的观点，比如，其可变形的框架结构可以消解水平荷载积累的能量，但是具体原因仍然缺乏数理计算。

高飞也告诉记者，我国古代木结构建筑的承载负荷不是靠力学公式计算出来的，而是通过工匠世代传承、经验积累出来的。

比如什么样的建筑，用多大的梁？多大的檩？文字并没有记载，全靠工匠的经验。

我国木结构建筑的书籍记载的只是工法，不像西方建筑学有复杂的力学计算。

在王贵祥看来，目前，搞结构力学研究的学者往往都只盯着高层建筑，对古建筑不感兴趣；而搞古建筑研究的学者又不掌握力学的数理计算方法，只研究古建筑的历史、法式等。

这种现状造成对木结构建筑研究的空白。

他建议，应该设立跨领域的古代木结构建筑研究学科，使对木结构建筑的研究不再仅停留在历史和文化层面。