木结构建筑的抗震之谜【批木网】
发布时间: 2015年12月27日 15:50:00
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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。
山西应县木塔【批木网】
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。
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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《中国科学报》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《中国科学报》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。
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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《中国科学报》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。
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