今天是: 12/19/2024, 12:36:23 AM 星期四

古代建筑的抗震秘籍之应县木塔

发布机构 渭南市地震监测与服务中心 发布日期 2024-11-18 10:30:00

  1933年9月,建筑大师梁思成在给妻子林徽因的信中这样写道:“我的第一个感触,便是可惜你不在此同我享此眼福,不然我真不知你要几体投地的倾倒” “这塔真是个独一无二的伟大作品”“好到令人叫绝,半天喘不出一口气来”……


   图 梁思成和应县木塔

    梁思成信中所提到的塔就是现在位于山西省应县的佛宫寺释迦塔,简称应县木塔,建于公元1056年,是世界上现存最古老、最高大、最复杂的可登临的木构楼阁式建筑,与意大利比萨斜塔、巴黎埃菲尔铁塔并称“世界三大奇塔”。塔建造在4米高的台基上,塔高67.31米,相当于现代20余层住宅的高度,底层直径30.27米,呈平面八角形,整个木塔共用红松木料2600多吨、3000立方米,2016年获吉尼斯世界纪录认定,为世界最高的木塔。


 图: 应县木塔


    位于山西地震带北部的应县木塔,建成近千年来,经历过5.0级以上的地震十几次,但依然矗立不倒。据史书记载,在木塔建成200多年之时,当地曾发生过一次6.5级大地震,余震持续了7天,木塔附近的房屋全部倒塌,只有木塔岿然不动。更让人惊讶的是,上世纪初军阀混战时,塔身曾被200多发炮弹击中,除打断了2根柱子外,主体结构未伤分毫,至今仍可见塔身弹痕。

 

为何应县木塔会如此坚固,

经历近多次大震仍屹立不倒?

    从结构力学的理论上来看,中国工程院院士叶可明和江欢成认为,保证木塔千年不倒的原因是木塔的结构非常科学合理,卯榫结合,刚柔相济,甚至超过现代建筑学的科技水平。作为上海东方明珠电视塔的总设计师,江欢成院士表示:近代西方的建筑思想是“对抗”,刚性节点、深埋、悬臂结构,地震时和大地一起震;中国木构的建筑思想是“求和”,抬高、刚架结构、弹塑性隔震,地震时“你震我摇”,从而消减地震能量。

令人惊叹的“斗拱博物馆”



图 应县木塔的斗拱被誉为“百尺莲开”


    应县木塔结构上没用一颗铁钉,全塔由54种480朵斗拱卯榫咬合叠垒而成,如同一簇簇莲花,扶摇直上,直冲云霄,是斗拱形式最多的一座建筑,被誉为“斗 拱博物馆”。

       由于斗拱系统本身是由若干小木料即斗、拱等榫接在一起的,相当于许多小型的悬臂,它们能够调整倾角、平衡弯矩,因此在受到地震、炮击等异常振动时,通过斗拱榫卯间的摩擦、错位,可以消耗掉外来的巨大能量,使得木塔具有较好的抗震、抗冲击性能。可以说斗拱类似于一种“阻尼装置”。这些层层叠叠的榫卯斗拱,是很好的弹性韧性结构,它不同于现代木构的钢板螺栓等联结方式,兼有传力、悬挑和防震功能。

 

“筒中筒”式结构






     应县木塔“筒中筒”式结构堪称一绝,木塔是采用两个内外相套的八角形,将木塔分为内外筒两部分,内筒由8根立柱支撑,外筒由24根立柱支撑,内外之间又分别由地袱、栏额、普柏枋和梁、枋等纵向横向相连接,形成无比坚固的结构体系,大大增强了木塔的抗倒伏性能。

 

古代的“圈梁”



                                                          图:应县木塔的内部结构


     圈梁是现代建筑常用的一种结构,指位于建筑结构外围的梁,具有闭合的环形结构。它一般由钢筋混凝土材料制成,具有较高的强度和刚度。圈梁位于建筑结构顶部或底部,覆盖整个建筑的周长,起到了抗震和抗风等外力的作用。



图 应县木塔暗层示意图

 

    应县木塔从外观上看为5层结构,但实际上,在层与层之间,还有一个暗层,暗层和明层有很大的差别,明层只有垂直方向的柱子和水平方向的梁、枋、阑额等,可是暗层里有很多斜撑,它产生了很多三角形的构架,更加稳固。暗层其实就像“圈梁”一样,把整座塔紧紧箍住了。



坚固的塔基




     

    应县木塔仅木料就用了2600吨,整体重约7400吨,直接屹立在夯实的黄土之上,却没有出现下沉现象。中国古建专家柴泽俊表示:“钢筋混凝土打压的地基寿命不足百年,而应县素土夯实的地基却已撑近千年,坚实而匀称,这跟当地的土质有关,堪称一大奇迹。”木塔的塔基分作上、下两层,下层为正方形,上层为八角形,主要由黏土及砂类组成,工程地质条件非常好,其承载力远大于木塔给予的荷载,所以,直到现在仍然不必担心木塔会有因“底虚”而倾倒的可能。

      江欢成院士对应县木塔不倒塌的原因做了这样的总结:除斗拱层结构、层叠结构之外,还包括:下端铰接,它比刚接柔和,有利抗震,施工方便;强梁段(断)柱,不直接连通,柱子主要承受轴力不变弯、效率最高;悬链式的桅杆阻尼装置;从地基到高台到双筒到叠层,刚度逐层递减,与大地和谐共生。

       虽然应县木塔本身具有较高的抗震性能,但是经历了千年的风风雨雨,应县木塔后期修缮和保护工作也至关重要。我们作为古代建筑的继承者有责任做好古建的研究保护工作,继续谱写古塔的千年传奇。