中國古建筑的結(jié)構(gòu)與受力性能

1、中國古建筑的結(jié)構(gòu)與受力性能吳二軍 ,王建永(河海大學土木工程學院 ,江蘇 南京210098 )摘 要 :中國古代建筑在建筑藝術(shù)和技術(shù)上取得了卓越的成就 ,但系統(tǒng)探討建筑結(jié)構(gòu)的研究很少 。通過大量的文獻資料 ,對中國古建筑的結(jié)構(gòu)材料及其力學性能 、結(jié)構(gòu)類型 、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及地基處理 、夯土 、隔震等施工技術(shù)問題 ,進行了較為系統(tǒng)的探 討 ,可以為中國古建筑的保護和現(xiàn)代建筑的設(shè)計提供參考 。關(guān)鍵詞 :中國古建筑 ;結(jié)構(gòu)材料 ;建筑結(jié)構(gòu) ;結(jié)構(gòu)構(gòu)造 ;施工技術(shù)中圖分類號 : TU31112文章編號 : 1008 - 1933 ( 2010 ) 04 - 078 - 06文獻標識碼 : B例 、清末營造

2、法原 等 ,只是系統(tǒng)地規(guī)定了建筑的形制和具體構(gòu)造 ,關(guān)于結(jié)構(gòu)安全方面的論述 ,如鳳毛 麟角 。我國幅員遼闊 ,全國各地遺留下來相當數(shù)量的具有保存價值的古建筑 ,為了更好地保護它們 ,進 行古建筑結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究是十分必要的 。0 引言中國是世界四大文明古國 ,歷史源遠流長 。中國建筑在數(shù)千年人類文明發(fā)展史中形成了自己獨特 的藝術(shù)風格和高超的建筑技術(shù) ,創(chuàng)造了世界建筑史 上一個個奇跡 。許多國內(nèi)外學者對中國的古建筑進 行了大量的研究 ,得到了許多有價值的研究成果 ,這 對目前我國古建筑的文物保護和現(xiàn)代建筑融合民族傳統(tǒng)具有重要意義 。然而 ,由于研究者多為建筑學 專家 ,絕大多數(shù)研究成果都集中在建筑

3、藝術(shù) 、建筑風 格及其與中國歷史文化特點的聯(lián)系上 ,幾乎沒有學 者對古建筑結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的研究 。另一方面 ,盡管 中國古建筑在建筑藝術(shù)和建筑技術(shù)上都取得了卓越的成就 ,由于我國古代的社會歷史原因 ,沒有形成系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論 ,造成中國建筑技術(shù)在明清以后 , 逐漸落 后 了 。中 國 古 代 僅 有 的 建 筑 典 籍 , 如 宋 代營造法式 、明代園冶 、清代工 部工 程做 法 則表 1 中國古建筑結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用范圍中國古建筑的結(jié)構(gòu)材料11. 1 中國古建筑結(jié)構(gòu)材料的種類和應(yīng)用范圍中國古建筑材料隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步 逐漸豐富 。其中 ,結(jié)構(gòu)材料的使用主要受兩個因素 的影響 :一是便于就

4、地取材 ,利用自然材料 ; 二是建 筑材料生產(chǎn)技術(shù)的進步 。因此 ,中國古建筑的結(jié)構(gòu) 材料從取材來源來分 ,可分為兩大類 :一類是天然材料 ,包括木材 、竹材 、石材 、夯土 、土坯 、藤索類 ; 第二 類是人工材料 ,包括粘土磚和金屬材料 ,其中金屬材 料主要是鐵 。各類建筑結(jié)構(gòu)材料在我國古建筑中的 應(yīng)用范圍 ,見表 1。應(yīng)用范圍材料類別工程實例建筑物類別構(gòu)件種類木材竹材石材 夯土土坯藤索 磚金屬民居 、寺廟大殿 、宮殿 、塔 、橋 、牌樓民居 、橋梁民居 、殿堂 、橋梁 、塔 、牌坊 民宅 、城墻 、高臺民宅橋梁 民居 、寺廟 、橋梁 、塔 、墓穴橋梁 、塔梁 、柱 、檁 、椽 、斗 、樁

5、梁 、柱 、墻體墻基 、柱基 (石鏡和磉墩 ) 、墻 、橋墩和橋面墻 、臺墻 吊索墻 、屋面 、橋墩 、橋面 、塔身 、拱券吊索 、塔身絕大多數(shù)中國古建筑四川安瀾橋趙州安濟橋 、盧溝橋 、四川石塔寺石塔 吉林洮南古城 、玉門關(guān)關(guān)城北京護國寺土坯殿 、敦煌土坯塔云南獨龍河藤網(wǎng)橋 長城 、靈谷寺無梁殿 、嵩山嵩岳寺塔等盧定橋 、鎮(zhèn)江甘露寺鐵塔 、山東泰安岱廟鐵塔天然材料人工材料各種材料在古建筑主體結(jié)構(gòu)中除單一使用外 ,還多見混合使用 ,形成磚木 、磚石等混合結(jié)構(gòu) 。古代磚石結(jié)構(gòu)中 ,砌筑時的灰漿多采用石灰漿 、黃土泥漿或二者混合使用 。為增加粘結(jié)性能 ,有時 在灰漿中摻入糯米湯 、麻刀或牡蠣殼粉等

6、 。1. 2 中國古建筑結(jié)構(gòu)材料的性能1. 2. 1 木材的受力性能 1 中國古建筑修建時 ,多就地取材 ,因此 ,采用的 樹木種類繁多 ,其中最常用的有松 、楠 、柏 、杉和毛白收稿日期 : 2009 201 216作者簡介 :吳二軍 ( 1972 - ) , 男 , 河北順平人 , 博士 , 副教授 , 研究方向為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 、建筑物的加固改造 。E - m a il: we j hhu. edu. cn2010 No14吳二軍 ,等 :中國古建筑的結(jié)構(gòu)與受力性能79楊 。古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范 編寫組進行了云杉 、柏木和落葉松的古建筑木材的性能試表 2 古建筑中木材的性能驗

7、,主要力學性能見表 2。日本對古建筑中的木材材性也進行了試驗研究 ,結(jié)果也列于表 2中 。云杉柏木落葉松日本扁柏日本櫸木測試指標 (元 ,距今 600 年 ) (清 ,距今 200 年 ) (遼 ,距今 920 年 ) (距今 350 1300 年 ) (距今 240 650 年 ) 基本密度 / ( g / cm3 )彈性模量 / (N /mm2 )順壓強度 / (N /mm2 )順拉強度 / (N /mm2 )抗彎強度 / (N /mm2 )沖擊韌性 / (N /mm2 )橫紋抗壓強度 / (N /mm2 ) 抗剪強度 / (N /mm2 ) 抗劈力 / (N /mm )0. 3817.

8、5 ×10329. 90. 588. 8 ×10346. 20. 54811. 746. 865. 298. 40. 0372. 067. 060. 740. 368 0. 4267. 3 11. 942. 4 50. 30. 515 0. 6720. 81 1. 3241. 5 68. 745. 10. 03669. 10. 03871. 2 86. 00. 027 0. 03966. 7 116. 70. 021 0. 0545. 8 8. 21. 2 1. 58. 8 12. 52. 1 3. 2注 :表中空缺數(shù)據(jù)為未測試指標 。早出現(xiàn)在西周時期 , 漢代 得 到了

9、大規(guī) 模 的使 用 4 。經(jīng)過數(shù)千年的發(fā)展 ,我國的磚燒制技術(shù)和砌筑技術(shù) 均達到了很高的水平 。古代磚的種類包括普通粘土磚 、陶磚和琉璃磚 。形狀也多種多樣 ,有方磚 、條形磚 、楔形磚 、空心磚和 帶子母榫 (便于相臨兩磚連接 )的磚 。此外 ,還有主要用于裝飾用的花磚 。按顏色分 ,則有黑城磚 、白城磚 、青磚和紅磚 。通過將古建筑中的木材和現(xiàn)在同類木材性能相比 ,盡管經(jīng)歷了數(shù)百年 ,其主要強度指標下降不超過30 % 。1. 2. 2 石 材石材性能穩(wěn)定 、強度高 ,工程應(yīng)用中幾乎沒有因 為石材強度不足而造成建筑物的破壞 。古代建筑中常用的石材有漢白玉 、青砂石 、青白石 、紫石 、花斑石

10、 、花崗巖和大理石等 。排除風化因素外 ,石材的力 學性能主要和巖石種類 、產(chǎn)地有關(guān) ,使用時間的影響 相對較小 ,現(xiàn)代石材和古代石材性能基本不變 。目 前我國橋涵中所用的石料標號為 25 號 100 號 ,該 標號是以邊長為 20 cm 的含水飽和立方體試件的極 限抗壓強度 (M Pa)確定的 2 。1. 2. 3 夯土和土坯 夯土版筑是我國古代土工建筑技術(shù)史上的重要成就之一 。材料主要采用紅土 、黃土等粘性土 ,采用 木杵 、石杵或鐵杵分層夯實 。不同工程每層土夯實后厚度不同 ,一般在 3 21 cm 范圍內(nèi) ,最常用的在10 cm 左右 3 。夯土多用于筑墻和高臺建筑 。 根據(jù)夯土建筑采

11、用的夯錘重量和落距 ,采用現(xiàn)行地基處理方法進行估算 ,夯土的材料強度可達到015 N /mm2 以上 。 土坯制造技術(shù)早在氏族公社時代就已發(fā)明 ,主要種類 有 四 種 : 手 模 坯 、杵 打 坯 、水 制 坯 和 垡 子坯 3 。土坯的尺寸規(guī)格大小不一 ,較大的如周朝的 土坯 47 cm ×17 cm ×715 cm ,小尺寸土坯則達到 24 cm ×18 cm ×5 cm。土坯的強度未見有相關(guān)試驗數(shù) 據(jù) ,根據(jù)夯打過程估 計杵 打 坯強 度在 1 2 N /mm2 以上 。土坯建筑防雨水沖刷能力差 ,因此 ,土坯墻體外 通常抹白灰泥層加以保護 。為了

12、提高土坯的強度 ,土坯中還采用了加筋 (加入茅草等 )技術(shù) 。1. 2. 4 磚 磚是中國建筑史上最重要的建筑材料之一 ,最 3 古代磚的尺寸規(guī)格并不統(tǒng)一 ,張馭寰統(tǒng)計了部分宋代塔磚尺寸 ,見表 3。龍慶忠教授文章中介 紹了在開封鐵塔中的灰磚和琉璃磚尺寸分別為 : 41 cm ×21 cm ×7 cm , 35 cm ×22 cm ×6 cm; 唐代廣州 5 懷圣光塔寺塔磚為 23 cm ×9 cm ×6 cm; 羅哲文錄自工程做法則例 中規(guī)定的城磚尺寸為 15 寸 × 6 715 寸 ×4 寸 ,約相當于 45

13、cm ×2215 cm ×12 cm。表 3 部分古磚的尺寸塔磚尺寸/ cm塔磚尺寸/ cm塔名塔名曲沃感應(yīng)寺塔交城離相寺磚塔 文水上賢塔40 ×26 ×835 ×17 ×643 ×22 ×7太原開化寺南塔平定天寧寺西塔 太谷無邊寺塔32 ×32 ×532 ×16 ×543 ×24. 5 ×7關(guān)于我國古磚強度的研究資料較少 ,開封鐵塔2寺中灰塔磚的抗壓強度為 212 N /mm ,鐵色琉璃磚2 5 的強度為 11212 N /mm。中國古建筑的結(jié)構(gòu)類型和性

14、能22. 1 框架和桁架2. 1. 1 木構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式中國古建筑中 ,創(chuàng)造性地使用了多種結(jié)構(gòu)形式 ,最具有代表性的是木構(gòu)架房屋 。 中國古代木構(gòu)架有抬梁 、穿斗 、井干三種不同的結(jié)構(gòu)方式 6 27 。抬梁 式 是在 立柱 上 架梁 , 梁 上 又 抬梁 ,所以稱為“抬梁式 ”。宮殿 、壇廟 、寺院等大型建 筑物中常采用這種結(jié)構(gòu)方式 。穿斗式是用穿枋把一 排排的柱子穿連起來成為排架 ,然后用枋 、檁斗接而成 ,故稱作穿 斗式 。多用 于 民居 和較 小 的建 筑物 。© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing Ho

15、use. All rights reserved. 80四川建筑科學研究第 36卷井干式是用木材交叉堆疊而成的 ,因其所圍成的空間似井而得名 。這種結(jié)構(gòu)比較原始簡單 ,現(xiàn)在除少脫卯 ,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞 。井干式房屋的墻體根據(jù)木桿的方向分為橫向和 豎向兩種 ,屋蓋可以認為是密排的木梁組成 。從承 載力角度來說 ,井干式一般具有較大的可靠度 。2. 2 拱 券根據(jù)材料的不同 ,我國古建筑中拱券結(jié)構(gòu)分為 磚拱結(jié)構(gòu) 、石拱結(jié)構(gòu)和木拱結(jié)構(gòu) 。2. 2. 1 磚石拱券早在秦漢時期 ,隨著我國制磚技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā) 展 ,磚拱建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)也不斷提高 ,最早多應(yīng)用于墓室建筑 ,最后逐漸拓展應(yīng)用到門樓 、磚房和磚塔的

16、門 窗 、殿堂屋頂和橋梁 。石拱建筑則多應(yīng)用于橋梁 ,結(jié)構(gòu)構(gòu)造和磚拱橋梁類似 。磚石拱券結(jié)構(gòu)的形式主要有以下幾類 。( 1 )斜撐板梁拱券 10 券磚頂部中間為上寬下窄的梯形實心磚 ,兩邊 為斜撐磚 ,構(gòu)成“ ”形 。拱頂?shù)膶嵭拇u和斜撐磚用榫卯連接 。此類拱券結(jié)構(gòu)在南陽漢代早期墓穴結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用 ,但由于墓室寬度受到拱頂寬度的限 制 ,西漢中期以后逐漸淘汰 。現(xiàn)存結(jié)構(gòu)如新野樊集M 16號墓 ,墓壁和墓頂構(gòu)成了寬 1159 m、高 1149 m的斜撐板梁拱券 。( 2 )磚石縱列拱券 10 此類拱券由楔形條磚 (石 )縱向排列連接 ,構(gòu)成 單道拱券 ,條磚之間采用子母榫連接 ,多道單拱券組合砌

17、筑 ,形成較大空間的拱券結(jié)構(gòu) 。這種拱券形狀大多為半圓形 。( 3 )磚穹頂無梁殿純以 磚 劵頂 , 又 稱為 磚 殿 , 是 從 古 代 磚 墓 、磚塔的劵頂技術(shù)發(fā)展而來 。這種建筑的建筑材料全部采用磚 、石 、瓦等非燃燒質(zhì)材料 。它的結(jié)構(gòu)一般都有幾排通長的拱券 ,而拱券的側(cè)向推力很大 ,因 此 ,無梁殿拱券下有渾厚的墻體 ,如南京靈谷寺無梁 殿前后檐墻皆厚近 4 m ,結(jié)構(gòu)十分堅固 11 。2. 2. 2 木 拱中國古代的木拱橋從現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)看 ,有桁架 拱和木撐拱 。目前所知 ,北方最早的桁架木拱橋是清明上 河 圖 中 以 寫 實 的 手 法 描 繪 的 卞 水 虹 橋 。卞水虹橋從外觀

18、上看近似半圓弧形 ,它的橋體結(jié)構(gòu) 采用梁木穿插的結(jié)構(gòu)形式 ,所以又叫疊梁拱 。整座橋梁構(gòu)架全由大小勻稱的巨大圓木縱橫相置 、交叉搭置 、互相承托 、逐節(jié)伸展 ,形成完整的木撐架式主 拱骨架 ,拱架兩端固定在巖石或石墻上 ,從而以較短的構(gòu)件 形 成 較 大 的 跨 度 。杜 連 生 先 生 在橋 梁 史 話 中 提 出 了 自 己 的 虹 橋 結(jié) 構(gòu) 模 型 , 如 圖 2 所示 12 213 。從圖中可以看出 ,其受力形式從整體上為拱的受力方式 ,對于拱木局部以梁為主 。 在閩浙一帶多見的木拱廊橋拱體結(jié)構(gòu)與卞水虹數(shù)森林地區(qū)外 ,已很少使用 。三種結(jié)構(gòu)形式如圖所示 。1圖 1 木構(gòu)架的形式2.

19、1. 2 中國古代木構(gòu)架的受力簡圖為確定木構(gòu)架的計算模型 ,必須確定兩個問題 :一是構(gòu)件類型 ;二是構(gòu)件連接方式 。 在三種木構(gòu)架結(jié)構(gòu)房屋中 ,抬梁式木構(gòu)架應(yīng)用范圍最廣 。以殿堂建筑為例 ,抬梁式木構(gòu)架整體結(jié)構(gòu)分為三部分 :臺基 、墻柱結(jié)構(gòu)和屋架 。墻體多為維 護用非承重墻 。柱下為石鏡 (北方 )或磉墩 (南方 ) , 不考慮水平地震作用時 ,柱根不發(fā)生位移 ,簡化為鉸接 。當在水平地震作用下 ,柱根在石墩表面產(chǎn)生水 平滑移 ,受力分析時看成滑移隔震支座 。上部結(jié)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)構(gòu)件有梁 、柱 、枋 、檁 、椽 、斗拱組成 。構(gòu)件之間用卯榫連接 ,連接方式為 : 梁支撐于柱端 ,柱頂榫 伸入斗拱或

20、梁端 ,枋兩端榫伸入柱端卯口 ,瓜柱上下端分別卯入上下架梁中 ,斗拱則平放在柱頂 ,梁放在 斗拱上 。脊檁放入脊瓜柱頂?shù)陌伎趦?nèi) ,其他檁放于 梁端的凹口內(nèi) ,為加以固定 ,多用鐵釘連接 。木結(jié)構(gòu)榫卯連接結(jié)點既不是剛結(jié)點 ,也不是鉸結(jié)點 ,通常認 為是半剛性結(jié)點 8 。受力分析時 ,結(jié)點位置處引入 半剛度單元 ,對抗彎剛度進行折減 ,折減系數(shù)則建議通過實際測試確定 。文獻 9 通過試驗證明 , 木結(jié) 構(gòu)榫卯結(jié)點具有明顯的彈性特征 ,因此本文作者認為 ,受力簡圖仍取剛結(jié) ,但應(yīng)對結(jié)點的抗彎剛度進行 折減 ,折減系數(shù)根據(jù)榫卯尺寸與桿件尺寸的比值確 定 。當桿件受到拉力時 ,榫卯結(jié)點的連接力完全由榫和

21、卯口間的摩擦力抵抗 , 數(shù)值較小 , 可忽略 。因 此 ,主體結(jié)構(gòu)計算簡圖為木框架結(jié)構(gòu) 。對于屋頂結(jié)構(gòu) ,檁和瓜柱連接可視為鉸結(jié)點 ,則屋頂成為桁架結(jié)構(gòu) 。穿斗式柱與橫梁的連接較弱 ,簡化為鉸結(jié)點 ,構(gòu) 架可按木排架結(jié)構(gòu)進行分析 。2. 1. 3 木構(gòu)架結(jié)構(gòu)的力學性能中國古代木構(gòu)架房屋一般縱橫對稱 ,且長寬比 較小 ,高度較低 ,形成了質(zhì)量剛度都比較均勻 、受力性能良好的空間結(jié)構(gòu)體系 。由于木材具有良好的彈性和變形能力 ,榫卯結(jié) 點局部滑移具有耗能能力 ,因此具有良好的抗震性能 。但在多次反復(fù)荷載作用下 ,可能造成榫卯結(jié)點© 1994-2015 China Academic Jour

22、nal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2010 No14吳二軍 ,等 :中國古建筑的結(jié)構(gòu)與受力性能81接起來 ,如圖 5 , 6所示 14 。圖 2 汴水虹橋結(jié)構(gòu)模型橋非常類似 ,但在構(gòu)造方面又有很大的改進 ,比如增 加了剪刀撐 、采用榫卯連接取代綁扎連接等構(gòu)造措 施 ,在結(jié)構(gòu)上更為穩(wěn)固 ,如圖 3所示 。圖 5 單跨伸臂木梁橋示意圖 6 多跨伸臂木撐風雨橋2. 5 懸 索索橋也就是懸索橋 ,也稱吊橋 。許多橋梁專家 認為 ,索橋最早起源于中國 ,目前已查證的我國最早的索橋 ,是秦李冰在四川成都城西南建成的“笮橋 ” (竹索

23、橋 ) 。索橋建造材料除了竹 , 還有藤 、皮繩和 鐵鏈等幾種 。橋梁史話 中總結(jié)了中國古代建造索橋的方法 。為了將懸索張緊 ,先在橋兩岸建屋 ,在 屋內(nèi)設(shè)置鉸索設(shè)備 ,即系索的立柱和絞索的轉(zhuǎn)柱 ;然后張緊底索和斜索 ;再在底索上橫鋪木板 ,有的在兩 側(cè)還加一至兩根懸索作為扶欄 。而且橋建成后 ,會 定期旋緊一次 14 。古代索橋示意如圖 7所示 。圖 3 廊橋透視木撐拱伸臂橋也就是俗稱的八字式撐架橋 ,典 型就是甘肅甘南木撐拱伸臂橋 14 ,如圖 4 所示 。圖 4 甘肅甘南木撐拱伸臂橋2. 3 實 體中國早期的實體結(jié)構(gòu)有土臺 、長城等 ,土臺是中 國古代最有代表性的實體結(jié)構(gòu) 。有研究者認為

24、 ,興起于春秋戰(zhàn)國時期的高臺建筑是我國最早的高層建筑 15 。在當時 ,為了解決大 體量建筑物的高度和大型建筑中木構(gòu)架的整體穩(wěn)定性的問題 ,采用了先堆筑出實心的高臺 ,以梯形土臺為核心倚臺逐層建房的方法 ,木構(gòu)架緊密依附夯臺 墩 ,形成土木混合的結(jié)構(gòu)體系 16 。高臺建筑主體為 下部敦實的臺墩 ,夯土技術(shù)是高臺建筑臺墩的主要 建造手段 17 。2. 4 懸 挑中國古代的懸挑結(jié)構(gòu)形式較多 ,比如懸空寺 、伸 臂梁橋等 。懸空寺的受力是靠“半插 飛 梁為 基 , 巧借 巖 石 暗托 ”,即將粗大的飛梁的大半 ,插入預(yù)先在山崖上鑿好的洞內(nèi) ,露出洞外的一小半飛梁便是樓閣的基 石 ,整個建筑靠此飛梁傳

25、力給巖石 18 。伸臂木梁橋有單跨和多跨兩種 。它的建造過程是在橋兩岸或橋墩上架長大木料 、象魚鱗樣層層疊 起挑出 ,兩端相隔較近時 ,就在兩邊挑梁上安放木簡支梁 ,再鋪上橫板橋面 ,橋就建成 ?？缍却蟮目赡芤?一直加到幾十層 ,兩相鄰橋墩上挑出的木料才能連圖 7 古代索橋示意2. 6 筒體中國的磚石 (鐵 )古塔可認為是筒體構(gòu)筑物 。 現(xiàn)存古塔從建筑形式上看 ,有樓閣式塔 、密檐式塔 、亭 閣 式 塔 、支 提 式 塔 、金 剛 寶 座 式 塔 和 塔 門 19 等。早在兩漢時期就出現(xiàn)了閣樓式塔 ,隨著建筑材料及建造技術(shù)的發(fā)展 ,人們開始用壘砌 、發(fā)券 、疊 澀等方法建造磚石結(jié)構(gòu)的塔 ,密檐

26、塔就是由樓閣式 20 的木塔向磚石結(jié)構(gòu)發(fā)展時而演變來的。隨著造塔經(jīng)驗的豐富和建筑材料的改變 ,塔的 建筑形制也發(fā)生 了變 化 。初 期 木塔 多為 四 邊形 結(jié)構(gòu) ,采用磚疊澀后就從四邊形發(fā)展為正多邊形 ,如六 角 、八角形等 。宋后 ,六角 、八角形塔取代了方形塔 。 從結(jié)構(gòu)受力方面考慮 ,改用六邊形或八邊形的造型后 ,塔壁的跨度減小了 ,且轉(zhuǎn)角平緩 ,受力均勻 ,其抗 19 220 壓 、抗震性能都大大地增強。2. 7 基礎(chǔ)中國古建筑除最常用的磚石放大角基礎(chǔ)形式 外 ,少量建筑物 、橋梁等也采用了木樁基礎(chǔ)和木筏基© 1994-2015 China Academic Journal

27、 Electronic Publishing House. All rights reserved. 82四川建筑科學研究第 36卷礎(chǔ)形式 。2. 7. 1 樁商周已開始形成 ,并逐漸固定下來 ,到漢代斗 已達到成熟狀態(tài) ,唐代各種斗 樣式已經(jīng)定型 ,宋代有了 完備的規(guī)制 7 。梁思成先生繪制的我國古建構(gòu)件序列圖 ,清楚地顯示了斗拱各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 。坐在柱頭上的稱 為櫨斗 ,其上開十字槽口 ,四角留有 4 個斗耳 ,在櫨 斗上部縱橫方向安拱 。其中沿橫向大梁架方向安放的拱稱為華拱 ,主要承受彎矩 ,沿縱向檐桁方向安放的斗稱為泥道拱 ,再在拱頭 、拱心上施散斗 ,這便是 最簡單的四鋪作 。如果

28、在華拱上再出一跳 ,即華拱 上施一更長臂華拱 ,泥道拱上用慢拱 ,華拱頭上再施 令拱 ,即為五鋪作 ,其余類推以致八鋪作 。上下構(gòu)件搭疊不用釘錨 、粘結(jié) ,只是榫卯連接 ,榫卯尺度準確 ,合卯之后十分嚴密 25 。3. 4 屋 頂北方屋頂多以梁柱式屋架結(jié)構(gòu)體 ,南方的房屋 則用穿斗式屋架為主 。無論哪種屋架式樣 ,都是在屋架之頂用檁木順搭 ,檁條上掛椽子 ,在椽子上釘 25 cm 厚的屋面板 (望板 ) ,板上抹泥 ,厚為 15 35基古代臨水建筑基礎(chǔ)通常都采用樁基 。作為樁基的木材要求堅韌耐久 ,適用常年在地下水位以下的 地基 ,在南方多選用紅松為樁 ,在北方有用柳木為樁的 。北京頤和園的堤

29、岸就是用濕柳木作樁的 ,經(jīng)幾百年仍未朽 。樁的類型有梅花樁 、馬牙樁 ,梅花樁多 用在柱礎(chǔ)之下 ,馬牙樁常用在墻基之下 21 。2. 7. 2 筏基古代建筑也有采用筏木基礎(chǔ)的 ,即使用整齊的 排木作基礎(chǔ) 。有用方木的 ,也有用圓木的 。這種基 礎(chǔ)多用在建筑重量大而下邊的“場地土 ”質(zhì)地又不一致的地段上 ,是為防止出現(xiàn)不均勻沉降而采取的 一種做法 22 。3中國古建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)造3. 1 木柱與基礎(chǔ)的連接早期建筑為了解決整體穩(wěn)定性的問題 ,柱基礎(chǔ) 必須深埋 ,且在下面放置石塊 ,作擴大柱礎(chǔ) 。隨著實踐經(jīng)驗的豐富和結(jié)構(gòu)技術(shù)的積累 ,上部結(jié)構(gòu)有了良好的穩(wěn)定性和整體剛度 ,柱根也逐漸從深埋向淺埋 演化

30、,從西漢時期開始 ,柱礎(chǔ)大多變?yōu)槠巾斆婷鞯A(chǔ) , 柱只是簡單地擱置在露出地面的礎(chǔ)石頂平面上 ,并不嵌固 7 。柱礎(chǔ)又稱柱頂石 (石鏡 ) ,其實它包括柱 子底下承受壓力的“礎(chǔ) ”和安放在“礎(chǔ) ”與柱子之間 的“躓 ”。柱與柱礎(chǔ)的連接方式多為浮擺式平面接觸 ,也有將帶有管腳榫的木柱插入到柱頂石柱窩中 的連接方式 ,或?qū)⒅斒龀伞疤醉?”形式 。柱礎(chǔ)式樣多種 ,有素復(fù)盆 、柢形柱礎(chǔ) 、復(fù)盆浮雕柱礎(chǔ)等 23 。3. 2 側(cè)腳與升起側(cè)腳指對橫向柱架外側(cè)柱傾斜放置 ,柱頭與中 間柱頭平高 ,即 外側(cè) 柱斜 長 大于 內(nèi)柱 高 , 如圖 8 所示 。升起指柱頭標高沿縱向軸線由中間向兩翼逐級升高 ,整個屋架

31、置于凹面上 ,如圖 9所示 。側(cè)腳和生 起的巧妙 限 位 和 控 制 作 用 , 相 當 于 現(xiàn) 代 的 被 動 控制 24 。 26 cm ,泥上再鋪瓦 。屋架的坡度在 35 °45 °之間。4中國古建筑技術(shù)4. 1 地基處理技術(shù)我國古代人 改 良地 基的 方 法 多 樣 , 因 地 制 宜 。 主要方法有以下幾種 。 2 7 4. 1. 1 換土當建筑規(guī)劃場地地基存在淤泥或雜填土時 ,民間有采用換土地基的 ,即把軟性地層挖去 ,換上砂土 或河砂 。在大面積換填技術(shù)中 ,出現(xiàn)了一種撼砂地基方 法 。具體做法是 :一般挖基槽深約 1 m ,寬約 6070 cm ,然后分 2

32、0 30 cm 為一層 ,將中砂填入槽內(nèi) ,隨后在槽內(nèi)灌水振撼 ,至砂層密實為止 。當撼至離地面約 2030 cm 處 ,砌磚或塊石墻腳 。4. 1. 2 夯實夯土是早期建筑的主要建筑技術(shù) ,各地區(qū)均有 地方性的傳統(tǒng)做法 。運用夯筑建筑技術(shù)加壓 ,破壞黃土自然結(jié)構(gòu)所保持的毛細現(xiàn)象 ,形成高密度的夯 土 ,使其達到較高的承載力 ,構(gòu)成一個木構(gòu)所需要的較為干燥和堅固的“滿堂基礎(chǔ) ”。為增強土體之間 的拉接 ,每隔 10 15 cm 厚粘土層間放置一些繩子 ,夯土壓實 。有時 ,為了滿足對夯土強度的更高要求 ,也采用分層灌以糯米汁再夯實 。發(fā)展至后期 ,出現(xiàn) 了 采 用 生 石 灰 和 粘 土 混

33、合 料 夯 實 的 灰 土 基3. 3 斗拱斗拱指的是一系列木構(gòu)件的組合 ,斗和拱是這 一系列構(gòu)件中最基本的兩個 ,柱頭上一層層逐漸挑出的弓形短木 ,稱為“拱 ”,兩層拱之間的斗形方木 ,稱為“斗 ”。其他構(gòu)件還有昂 、耍頭木 、襯仿頭 、羅漢 仿等 。斗拱的產(chǎn)生和發(fā)展有著非常悠久的歷史 ,自 16 , 21 , 27 228 礎(chǔ)。4. 1. 3 打樁我國古代樁基多為木樁 ,個別情況下 ,采用石樁 和竹 。古代樁基提 高軟 弱地 基 承載 力的 方 法有 兩© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.

34、All rights reserved. 2010 No14吳二軍 ,等 :中國古建筑的結(jié)構(gòu)與受力性能83種 :一是木樁橫向擠壓周圍土層 ,使土粒密實 ,增強了地基土的強度 ;二是借助土與樁之間的摩擦力或 樁本身的強度 ,將上部荷載有效地傳至下臥基層 ,改 變了軟弱地基建筑物的破壞模式 ,使多種破壞方式變成了單一的豎向剪切破壞 21 。4. 1. 4 加筋 古代加筋地基中的拉筋多用抗拉強度較高的木材 ,能有效地控制橫向變形的發(fā)展 ,相當于現(xiàn)代的鋼 筋混凝土梁 。如西安小雁塔地基處理 ,即在臺座下的夯土層中埋置縱橫相錯的木梁 ,整個夯土地基的 承重能力及抵抗變形的能力大為增強 21 。4. 2

35、隔震與減震技術(shù)古代建筑通過巧妙的構(gòu)造實現(xiàn)了較高的抗震能 力 ,從以下幾個方面可以看出 ,古建筑技術(shù)體現(xiàn)了現(xiàn) 代隔震 、減震思想 。4. 2. 1 地基與臺基的隔震構(gòu)造 通過特殊的地基處理方法 ,在地基中建造一個柔性構(gòu)造層 ,就能夠在一定程度上把建筑物與地震 隔離開來 ,從而控制地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞 。比 如 ,明故宮地基 5 6 m 深處用糯米汁拌石灰 ,形成柔性地基層 29 。 如果臺基與自然地基剛度差別很大 ,或原本的臺基底部水平抗剪切剛度很弱 ,臺基可能首先就可起 到 隔 震 的 作 用 , 使 一 些 高 頻 震 動 峰 值 被 過 濾掉 7 。4. 2. 2 主體與基礎(chǔ)自然斷離 柱

36、腳平擱簡支是重要的隔震減振措施 。主體與基礎(chǔ)自然斷離柱根簡支在平面明礎(chǔ)石面上 ,使水平荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)的總水平剪力不會超過柱底所受 摩擦力的總和 ,這直接限制了結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的最 大內(nèi)力 。當?shù)卣鹚郊铀俣刃∮谝欢ㄖ禃r ,房屋不會滑動 ,上部結(jié)構(gòu)可能擺動 ,若地震水平加速度大于 這一值時 ,地面水平滑移 ,柱與柱礎(chǔ)石鏡面間能產(chǎn)生隔震效果 30 。4. 2. 3 柔性抗震的主體結(jié)構(gòu)體系主體結(jié)構(gòu)體系從豎向可分為柱架層 、鋪作層和 屋蓋 。柱架層具有良好的整體性 ,能十分有效地將 結(jié)構(gòu)自重和地震 作用 傳 至基 礎(chǔ) , 對抗 震極 為 有利 。 鋪作層是柱架層和屋蓋之間的過渡層 ,由斗 、拱 、昂

37、等構(gòu)成 。斗拱是水平允許層間滑移豎向可發(fā)生較大 的彈塑性變形的準彈性支座 ,所以 ,整個鋪作層是良 好的減振層 7 , 30 。 3 張 馭 寰. 古 建 筑 勘 察 與 探 究 M . 杭 州 : 江 蘇 古 籍 出 版 社 ,1988: 155 2171 , 264.賈付軍. 南陽漢代磚結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展簡論 J . 南都學壇 (哲學社 會科學版 ) , 2001 , 21 ( 5 ) : 11 212.龍慶忠. 中國建筑與中華民族 M . 廣州 : 華南理工大學出版 社 , 1990.羅 哲 文. 中 國 古 代 建 筑 M . 上 海 : 上 海 古 籍 出 版 社 , 2001:315 ,

38、 108 2112.張鵬程. 中國古代木構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)及其抗震發(fā)展研究 D . 西 安 :西安建筑科技大學 , 2003.趙均海 ,俞茂宏 ,楊松巖 ,等. 中國古代木結(jié)構(gòu)有限元動力分析 J . 土木工程學報 , 2000 , 33 ( 1 ) : 32 235.賈付軍. 南陽漢代磚結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展簡論 J . 南都學壇 (哲學 社會科學版 ) , 2001 , 21 ( 5 ) : 11 212. 4 5 6 7 8 9 10 柏文峰. 中國古橋在結(jié)構(gòu)上的力學成就 J . 云南工業(yè)大學學報 , 1997 , 13 ( 4 ) : 13 216. 11 王老誠. 北京的無梁殿 J . 上海消防 , 2002 ( 1 ) : 86 289. 12 繆小龍. 廊橋遺夢閩浙尋 閩東南 、浙西北貫?zāi)竟袄葮蚩疾?J