殿堂型木构架古建筑的抗震构造研究

第３０卷第１０期　合肥工业大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．１０　２００７年１０月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｏｃｔ．２ＯＯ７　殿堂型木构架古建筑的抗震构造研究　汪兴毅，　杨智良　（安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥２３００３６）　摘要：以《营造法式》为依据，结合中国古建筑实例，从结构构造的角度，对殿堂型木构架古建筑的抗震性能　进行研究；殿堂型木构架古建筑，由台基层、柱框层、铺作层及屋盖层４部分组成，通过各层相应的构造措施，　设置多道抗震防线，共同提高结构的抗震性能，体现了“刚柔相济，以柔克刚，滑移隔震，耗能减震”的思想。　关键词：殿堂型；抗震构造；滑移隔震；耗能减震　中图分类号．ＴＵ３６６．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５０６０（２００７）１０—１３４９—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｃｉｅｎｔ　ｔｉｍｂｅｒ－ｆｒａｍｅｄ　ｈａｌｌｓ　ＷＡＮＧ　Ｘｉｎｇ～ｙｉ，　ＹＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｌｉａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｇａｒｄｅｎｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｙｉｎｇ－ｔｓａｏ　ｆａ－ｓｈｉｈ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ａｎｃｉｅｎｔ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｔｈｅ　ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｃｉｅｎｔ　ｔｉｍｂｅｒ～ｆｒａｍｅｄ　ｈａｌｌｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ａｎｃｉｅｎｔ　ｔｉｍｂｅｒ－ｆｌａｍｅｄ　ｈａｌｌｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｙｌｏｂａｔｅ　ｆｌｏｏｒ，ｃｏｌｕｍｎ　ｆｒａｍｅ　ｆｌｏｏｒ，ｂｒａｃｋｅｔ　ｓｅｔ　ｆｌｏｏｒ　ａｎｄ　ｒｏｏｆ　ｆｌｏｏｒ．Ｔｈｅ　ｈａｌｌｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｓｅｖｅｒａｌ　ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ　ｌｉｎｅｓ　ｂｙ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔａｋｅｎ　ｉｎ　ｅｖｅｒｙ　ｆｌｏｏｒ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｅｍｂｏｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｏｕｇｈｔｓ　ｏｆ“ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｅｎｄｅｒｎｅｓｓ，ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｔｅｎｄｅｒｎｅｓｓ，ｂａｓｅ　ｉｓｏｌａ—　ｔｉｏｎ　ｂｙ　ｓｌｉｄｉｎｇ，ａｎｄ　ｓｈｏｃｋ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｂｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ”．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｌｌ￣ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｂａｓｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｓｌｉｄｉｎｇ；ｓｈｏｃｋ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｂｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ　ｅｎ—　ｅｒｇＹ　０　引　日　构造”［２ｊ，从结构构造的角度，对殿堂型木构架古　建筑的抗震性能进行研究。　我国古代建筑以木构架结构为主要的结构方　式口］，有相当数量的古代建筑，在经历了多次地震　ｌ殿堂型木构架古建筑的抗震构造特征　考验之后，完整地保存了下来。其中具有代表性　《营造法式》没有明确将建筑进行分类，但按　的有：建于唐大中１１年（公元８５７年）的五台山佛　前普遍的分类方法，认为《营造法式》将当时建　光寺大殿，建于辽统和２年（公元９８４年）的天津　按木构架分为殿堂、厅堂及余屋３大类。其中　蓟县独乐寺观音阁，建于北宋皇佑４年（公元　殿堂型木构架古建筑等级最高，用料最大，其特征　１０５２年）河北正定隆兴寺摩尼殿，建于辽清宁２　下：草袱下设明袱，《营造法式》卷５规定：凡　年（公元１０５６年）的山西应县佛宫寺释迦塔。这　只阁平棋，草袱在上，承屋盖之重　。　；内外柱　些建筑皆为殿堂型木构架建筑，其良好的抗震性　，柱问置阑额、地袱，形成柱框层；有明确的　能代表了我国古代建筑的成就与水平。本文以　作层　；有稳定的夯土台基层。　《营造法式》为依据，结合古建筑实例，按照梁思成　殿堂结构的竖向如图１、图２ｃ　所示，从下到　先生所说：“研究中国的建筑物首先就应剖析它的　上分为台基层、柱框层、铺作层及屋盖层。带副阶　收稿日期：２００６—１０—１３　作者简介：汪兴毅（１９６７一），男，安徽含山人，安徽农业大学讲师　维普资讯 http://www.cqvip.com １３５０　合肥工业大学学报（自然科学版）　第３Ｏ卷　者又需于殿身四周插入副阶构架，即半坡屋盖、铺　作层及副阶柱框层。　其外分作两摆手，斜随马头，布柴梢，令厚一丈五　尺。每岸长五尺，钉桩一条。梢上用胶土打筑　令实”。　阁、楼、塔建筑《营造法式》并未将其算作一　类，其屋盖部分可采用殿堂型构架或厅堂型构架，　关于楼层之间的结构构造仅于《营造法式》卷４　“造平座”之制一节中述及，有叉柱造、缠柱造及永　修筑台基时，《营造法式》卷３规定：“筑基之　制：每方一尺用土二担；隔层用碎砖及石札等，亦　二担”。“每布土厚五寸，筑实后三寸；每布碎砖瓦　定柱造３种方法，阁、楼、塔的其余部分做法只是　殿堂的重叠。采用缠柱造的阁、楼、塔，迄今为止，　及石札等厚三寸，筑实厚一寸五分”。另一方面，　台基是用块石、条石及砖等通过糯米浆和砌而成，　尚未发现实例，在此不再论述。前言中的天津蓟　县独乐寺观音阁、山西应县佛宫寺释迦塔都采用　了叉柱造平座。因此，可将屋盖采用殿堂型木构　架和叉柱造平座的阁、楼、塔，归人殿堂型木构架　建筑。《营造法式》在论述“地盘分槽图”、“博”及　“屋脊”等有关内容时，也将殿与阁、楼、塔合称之　为殿阁。　图１　山西五台山佛光寺大殿木构架侧样　图２　山西五台山佛光寺大殿木构架分层示意图　１．１　台基层　（１）台基和台基下土层的处理。筑台基之　前，需选择有利于抗震的基址，处理好台基下的土　层。《营造法式》卷３规定：“凡开基址，须相视地　脉虚实。其深不过一丈，浅止于五尺或四尺，并用　碎砖瓦石札等，每土三分内添碎砖瓦等一分”。在　筑临水建筑之基时，不仅开挖、夯筑，还须扩大开　挖面、钉木桩，“开深一丈八尺，广随屋间数之广。　各种块材之间柔性叠砌，容许滑动摩擦ｌ６］。沿台　基的四周和表面布置角石、柱石、压阑石及土衬石　等，对台基提供了良好的侧限约束。既保证了台　基的整体稳定，又可保护边角不易受损ｌ７　。经过　如此处理后，台基按刚度分层均匀，承载力高，弹　性强，稳定性好，进一步消除台基下土层的不利影　响，地震时可起隔震和耗能减震的作用，显著衰减　上部木结构的地震反应。　对台基的高度也有明确的规定，“立基之制：　基高与材五倍。如东西广者，又加五分至十分。　若殿堂中庭修广者，量其位置，随宜加高。所加虽　高，不过与材六倍”。说明如房屋纵向较长，考虑　台基下土层不均匀性的影响，可提高台基高度，增　强台基刚度。但不可过高，以免地震时，加大上部　木构架的水平位移。　（２）柱础。《营造法式》卷３规定：“造石次序　有六，…”，要求对石料进行打剥、粗搏、细漉、褊　棱、斫砟及磨砻６道工序。将加工后顶面光滑的　础石，按柱网布置，嵌固在经过处理的台基中；同　时，通过“定平”保证础石顶水平。上部柱框层的　檐柱、内柱等木柱直接搁置在水平柱础镜面上；如　柱与柱础间有柱领，则直接搁置在柱领上，柱领的　表面也是水平、光滑的。檐柱、内柱等木柱与柱　础、柱领之间是断离的，并不嵌固。柱础、柱领顶　面的横截面尺寸大于柱的横截面尺寸，柱的周边　在柱础、柱领顶面上留有一定的余地。地震时，上　部木构架可以发生适当的水平位移，但不会倾覆，　起到滑移隔震的效果，显示了我国古建筑独特的　“以柔克刚”的抗震思想。　１．２柱框层　（１）结构平面布置。《营造法式》卷３１大术　作制度图样中所载殿阁地盘（即平面）图４幅，皆　为对称、规则及均衡的矩形几何图形，在平面上质　量分布和刚度变化均匀，建筑的质量中心与抵抗　水平荷载的抗力刚度中心重合，有利于减轻结构　的地震扭转效应，地震时各部分的振动易于协调　一致，减少应力集中现象。前言中所举五台山佛　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１Ｏ期　汪兴毅，等：殿堂型木构架古建筑的抗震构造研究　１３５１　光寺大殿等４例古建筑柱网均采用其中的金箱斗　底槽形式。　的实测值不与《营造法式》的规定值一致，可能是　由于年代久远、材料变形、经历多次地震等因素的　影响。　（２）结构立面布置。建筑立面布置，既遵循　荷载均衡对称的原则，又选择低而宽的稳重造型，　《营造法式》卷５规定：“柱虽长不越问之广”。类　似与现代建筑抗震构造措施中的控制宽高比，保　证古建筑的总体稳定，防止倾覆；同时，柱高小，易　于保证柱架的抗侧移刚度。　（３）柱框层的整体性。结构上由檐柱和内柱　构成内外两圈柱网。按《营造法式》，在檐柱问通　过阑额、门额、地袱及殿阁照壁板等连成一体，内　柱间通过阑额、由额等联系起来。内外柱网间又　通过在柱上用斗棋、明乳袱、明袱、柱头枋及素枋　等联系起来。带副阶者，副阶构架又给整个柱框　层提供了侧向支撑，进一步增强结构的整体性。　（４）柱的侧脚、生起。《营造法式》卷５规定：　“凡立柱，并令柱首微收向内，柱脚微出向外，谓之　侧脚。每屋正面，谓柱首东西相向者。随柱之长，　每一尺即侧脚一分；若侧面，谓柱首南北相向者。　每一尺即侧脚八厘；至角柱，其柱首相向各依本　法。如长短不定，随此加减”。又规定：“凡用柱之　制，…至角则随问数生起角柱。若十三间殿堂，则　角柱比平柱生高一尺二寸。“平柱”谓当心问两柱　也。自平柱叠进向角渐次生起，令势圆和；如逐问　大小不同，即随宜加减，他皆仿此。十一问生高一　尺；九问生高八寸；七问生高六寸；五间生高四寸；　三问生高二寸”。上述分别是殿阁式木构架的“侧　脚”和“生起”技术，如图２、图３［２］所示，采用这种　构造方式使铺作层和屋盖层的梁架放置在凹面上　而不易偏心，处于向内微倾的挤压状态，增加整个　木构架的内聚力和稳定性。铺作层和屋盖层荷载　所产生的水平分力和弯矩又使下部柱框层中阑额　等处于受压状态，柱与阑额连接节点的榫卯保持　自动向内挤紧，具有抗张角刚度，加大榫与卯之间　的摩擦力，增加结构阻尼；地震时，具有减震耗能、　柱架侧移变形后自动复位、防止梁架滑落的功效。　上述４例古建筑均有侧脚、生起，以蓟县独乐寺观　音阁为例，据《中国古代建筑史》（第３卷）记载，一　层正面檐柱当心间平柱、次间柱、角柱侧脚实测值　分别为８．４　ｃｍ、８．７　ｃｍ、１５．６９　ｃｍ，侧脚百分比相　应分别为２　、２　、３．７　，侧脚幅度大于《营造法　式》规定的０．８　～１　；一层正面檐柱当心问平　柱、次问柱、角柱柱高值分别为４０６　ｃｍ、４１０　ｃｍ、　４２０　ｃｍ，生起值相应为４　ｃｍ、１０　ｃｍ，比《营造法　式》规定的５问生高４寸的幅度小［４］。生起、侧脚　图３宋营造法式殿堂型大木作制度图样　１．３铺作层　（１）铺作层的网络化。铺作层是由斗、棋、　昂、枋及明袱等纵横交叉、互相咬合、层层铺叠而　成。铺作层在纵向通过撩檐枋、罗汉枋、柱头枋及　棋眼壁板等构件，将各朵铺作连成整体。在横向　通过斗棋，用明乳袱将里、外铺作联系起来［８］，用　明袱将内柱柱头上的铺作联系起来，从而使各铺　作在纵横向连成整体，形成一个统一的网格状铺　作层，也将屋盖层荷载均匀地传递给柱框层。　（２）华棋与栌斗、泥道棋的相交处。《营造法　式》卷４规定：“造棋之制有五：一日华棋。足材棋　也。…与泥道棋相交，安于栌斗口内…；二日泥道　棋。…与华棋相交，安于栌斗口内”。“凡开棋口　之法：华棋于底面开口，深五分，角华棋深十分。　广二十分。包栌斗耳在内。口上当心两面，各开　子荫通棋身，各广十分”。“造斗之制有四：一日栌　斗。施之于柱头。…开口广十分，深八分。出跳　则十字开口，四耳…”。“凡四耳斗，于顺跳口内前　后里壁，各留隔口包耳，高二分，厚一分半。栌斗　则倍之”。由上可知：华棋安在泥道棋和隔口包耳　上，使用足材；下开口宽二十分，除去栌斗十分、隔　口包耳三分，与栌斗的隔口包耳问每边留有二分　的空隙。华棋出跳，相当于悬臂梁，承受的荷载较　大，用足材，保证具有足够的承载力。在地震作用　下，当栌斗发生位移时，华棋与隔口包耳之间留有　二分的空隙，华棋可以少动或不动，保证屋盖层的　稳定。　（３）铺作层的耗能减震。斗棋是以横木分层　铺排，水平层问允许适当滑移，木材处于横纹受压　状态，弹性模量小，压缩刚度为串联关系，叠铺的　层数越多，总压缩刚度越小。地震时，通过层问滑　移消耗地震能量，通过弹塑性变形能力，吸收地震　能量，衰减结构的地震反应。　维普资讯 http://www.cqvip.com １３５２　１．４屋盖层　合肥工业大学学报（自然科学版）　第３Ｏ卷　（３）屋盖层高度的控制。屋盖层位于古建筑　的最高处，刚性较强，重量较大。为减轻地震作用　的影响，对屋盖层的高度做出相应的限定。《营造　（１）屋盖层的刚性。屋盖层由草袱和屋面维　护层组成。屋面维护层由竹笆、苇箔、胶泥和石灰　组成的基层及屋面瓦层。《营造法式》卷１３规定：　“凡瓦下补衬柴栈为上，版栈次之。如用竹笆苇　箔，若殿阁七问以上，用竹笆一重，苇箔五重；五间　一下，用竹笆一重，苇箔四重，…，其栈柴之上，先　用胶泥不遍泥，次以纯石灰拖瓦”。由于梁架举　折，屋面维护层呈平滑曲面且较厚（最厚处可达　３０　ｃｍ）ｌ８］，所以屋面维护层纵向刚度很大。草袱　在横向由水平梁袱叠置及驼峰、蜀柱、叉手及托脚　组成，在纵向通过棒、襻间等构件与纵向刚度很大　的屋面维护层连成整体。所以，屋盖层在整体上，　纵向可以认为是刚性的。　《营造法式》卷５规定：“两面各顺平袱，随举　势斜安叉手，…，凡中下平棒缝，并于梁首向内斜　安托脚，其广随材，厚三分之一，从上梁角过抱搏，　出卯以托棒缝”。如图１、图３所示，屋盖层在横　向，最上层由平梁和叉手组成稳定、形似刚体的三　角形，地震时的水平力只能使此三角形产生平移。　而平梁头坐在驼峰之上的栌斗上，侧面与托脚相　接，可以依靠摩擦力和托脚，并通过棒，借助屋顶　的重量，阻制平梁的平移，又形成以四椽袱为底边　的稳定、形似刚体的三角形。依此类推，可以认为　屋盖层在横向也是刚性的。　（２）屋顶的配重。由于需要借助屋顶的重　量，殿堂型木结构建筑的屋顶不能太轻，在屋顶上　应使用具有较大重量的屋脊、鸱尾及筒瓦等配重。　《营造法式》卷１３分别相应规定：“殿阁：若三间八　椽或五间八椽，正脊高三十一层，垂脊低正脊两　层”。“用鸱尾之制：殿屋八椽九间以上，其下有副　阶者，鸱尾高九尺之一丈，若无副阶者高八尺。五　间至七间，不计椽数。高七尺至七尺五寸，三间高　五尺至五尺五寸。楼阁三层檐者与殿五问同，两　层檐者与殿三间同”。“殿阁厅堂等，五间以上，用　筒瓦长一尺四寸，广六寸五分。三间以下，用筒瓦　长一尺二寸，广五寸”。　为防止类似与现代所说的、震害中鞭梢效应　现象的发生，《营造法式》卷１３对鸱尾在屋顶上的　固定做出规定：“凡用鸱尾，若高三尺以上者，于鸱　尾上用铁脚子及铁束子安抢铁。其抢铁之上，施　五叉拒鹊子。身两面用铁鞠。身内用柏木桩或龙　尾；唯不用抢铁。拒鹊加襻脊铁索”。由用鸱尾之　制可知，殿阁型木构架的鸱尾最小尺寸也有５尺，　大于３尺，必须符合上述规定。　法式》卷５规定：“举屋之法：如殿阁楼台，先量撩　檐枋心相去远近，分三分。从撩檐枋背至脊棒背，　举起一分”。即对殿阁楼台，以量出的前后撩檐枋　之距离的１／３，作为脊棒至撩檐枋垂直总举高。　２结束语　中国古建筑中的殿堂型木构架古建筑，从下　到上，由台基层、柱框层、铺作层及屋盖层４部分　组成，通过各层相应的构造措施：台基土层的分层　夯实、柱础石的水平；柱框层的对称、规则、均衡及　质量中心与刚度中心重合，控制柱高，加强柱框层　的整体性，柱的侧脚与生起；铺造层的多层次，华　棋与隔口包耳之间空隙的留置，木材处于横向受　压状态；屋盖层的刚性，屋顶的配重，屋盖层高度　的控制等，设置多道抗震防线，共同提高结构的抗　震性能。同时，加强每层的整体性，各层之间，甚　至在同一层的各层次之间允许适当水平滑移；利　用木材的弹塑性力学性能，大量消耗地震能量。　在结构抗震构造措施上，体现了“刚柔相济，以柔　克刚，滑移隔震，耗能减震”的思想，对现代建筑的　隔震、减震及控震具有借鉴意义。尤其是在大力　提倡发展生态建筑、节能建筑的今天，对发展现代　木结构建筑具有很强的指导意义。　参考文献　［１］刘敦桢．中国占代建筑史［Ｍ］．第２版．北京：中国建筑工业　出版社，１９８４：３．　［２］梁思成．图像中国建筑史［Ｍ］．天津：百花文艺出版社，　２００１：８５—９８．　［３］李诫．营造法式［Ｍ］．北京：中国书店，２００６：９７．　［４］郭黛妲．中国古代建筑史ＥＭ］．第３卷．北京：中国建筑工业　出版社，２００３：２７３　２７５．　Ｅｓ］潘谷西，何建中．《营造法式》解读［Ｍ］．南京：东南大学出版　社，２００５：２４．　［６］高大峰，赵鸿铁，薛建阳．中国古代大木作结构抗震构造研　究ｌ＿Ｊ］．世界地震工程，２００４，２０（１）：１［）（］一１０４．　［７］张鹏程．中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究［Ｄ］．西　安：西安建筑科技大学土木工程学院，２００３．　［８］吴玉敏，张景堂，陈祖坪．殿堂型建筑木构架体系的构造方　法与抗震机理［Ｊ］．古建园林技术，１９９６，（４）：３２　３６．　（责任编辑张镅）