太和殿立面
太和殿平擺浮擱柱底
太和殿梁架
最近,一段“故宮建筑模型在強(qiáng)震模擬中巋然不倒”的視頻在微博上火了。這段視頻來自英國電視臺(tái)第4頻道制作的紀(jì)錄片《紫禁城的秘密》。
故宮博物院研究館員周乾博士是該紀(jì)錄片中展示的故宮建筑模型抗震試驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)者。他向科技日報(bào)記者介紹道:“這是首次將故宮中某一建筑的整體結(jié)構(gòu)模型放置在地震工況下進(jìn)行測試,結(jié)果出乎意料,模型經(jīng)受住了10.1級(jí)地震的考驗(yàn)”。
根據(jù)地震學(xué)理論,一般用地震烈度來表示地震對建筑物的影響程度。但是該片英國導(dǎo)演認(rèn)為,對英國觀眾來說,地震烈度的概念比較陌生,而更傾向于接受震級(jí)的概念!耙虼耍诩o(jì)錄片中,用震級(jí)來代替烈度描述地震作用強(qiáng)度!敝芮硎。
以柔克剛 古建模型強(qiáng)震不倒
在做故宮建筑模型抗震測試前,英國攝制組曾經(jīng)做過一些歐洲古代建筑模型的抗震試驗(yàn),磚石結(jié)構(gòu)模型都以坍塌告終,中國古建筑木結(jié)構(gòu)能扛過強(qiáng)震嗎?測試開始前,參與拍攝該節(jié)目的英國專家理查德和周乾打了個(gè)賭。理查德認(rèn)為,故宮建筑模型肯定會(huì)被震垮。
起初,在體驗(yàn)3級(jí)到4級(jí)地震時(shí)(地震烈度約為5—6度),模型只是在試驗(yàn)臺(tái)上輕微晃動(dòng)。隨著地震烈度的不斷增加,模型晃動(dòng)的幅度增大,兩側(cè)的磚石墻體出現(xiàn)垮塌。加碼到10.1級(jí)地震強(qiáng)度時(shí),地震波烈度的峰值已超過歷史地震的最大值,振動(dòng)臺(tái)加載裝置也已達(dá)到工作極限。
然而,在如此劇烈的地震作用下,試驗(yàn)?zāi)P腿匀槐3址(wěn)定搖晃,并在震后基本能夠恢復(fù)到初始狀態(tài),建筑整體屹立不倒,立柱只是發(fā)生了輕微的位移,充分體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)木構(gòu)古建在地震作用下“墻倒屋不塌”的特點(diǎn)。
“理查德曾向我描述,他在現(xiàn)場感受到,在強(qiáng)震作用下,有一個(gè)巨大的沖擊力撲向模型。模型開始搖晃,但是始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。在復(fù)位過程中,古建筑模型像揉太極球一樣,把地震力往外推了出去。這很像中國太極功夫中的以柔克剛,四兩撥千斤!敝芮f道。
理念先進(jìn) 強(qiáng)震不倒靠隔震
故宮建筑模型表現(xiàn)出的“強(qiáng)震不倒”靠的是什么?周乾指出,中國是世界上最早將隔震理念應(yīng)用到建筑中的國家,故宮建筑的設(shè)計(jì)建造中充分考慮了抗震的需求,采用了多項(xiàng)隔震技術(shù)。
所謂建筑隔震,就是在建筑基礎(chǔ)部位安放可運(yùn)動(dòng)裝置;地震發(fā)生時(shí),通過裝置的運(yùn)動(dòng)來耗散、吸收部分地震能量,并錯(cuò)開地震波的頻率,從而減輕地震對建筑的損害。
故宮古建筑的隔震是如何實(shí)現(xiàn)的呢?周乾舉例解釋道,比如建筑的柱根并非插入地底下,而是平擺浮擱在柱頂石上。地震作用下,柱根在柱頂石上往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生摩擦滑移隔震效果。
故宮古建筑的梁與柱采用榫卯節(jié)點(diǎn)形式連接,梁端做成榫頭形式,插入柱頂預(yù)留的卯口中。地震作用下,榫頭與卯口之間反復(fù)開合轉(zhuǎn)動(dòng),并產(chǎn)生小量拔榫。拔榫即榫頭從卯口拔出,但不是脫榫,榫頭始終搭在卯口位置。這種相對轉(zhuǎn)動(dòng)也是摩擦減震、隔震機(jī)理的體現(xiàn)。
柱頂之上為斗拱。斗拱由坐、拱、翹、升等小尺寸構(gòu)架由下至上層層疊加而成。地震作用下,這些細(xì)小構(gòu)件之間相互擠壓、錯(cuò)動(dòng),可耗散大量地震能量,并能夠延長建筑的晃動(dòng)周期,產(chǎn)生隔震效果。地震結(jié)束后,這些小構(gòu)件基本能恢復(fù)到初始位置,并保持完好。此外,厚重的屋頂猶如一個(gè)胖子,在外力作用下晃晃悠悠的往復(fù)搖擺,但始終保持穩(wěn)定不倒,起到了很好的隔震效果。
力求真實(shí) 建造體現(xiàn)故宮建筑特征模型
太和殿是紫禁城內(nèi)體量最大、等級(jí)最高的建筑物。按英國攝制組最初的設(shè)想,他們希望能復(fù)制太和殿的模型進(jìn)行地震測試。
但受試驗(yàn)條件限制,建筑模型將在一個(gè)長寬均為3米的震動(dòng)平臺(tái)上接受地震考驗(yàn),這意味著要按1∶20比例縮小建造太和殿模型!翱s小20倍后,太和殿模型中木柱便只有火柴棍大小,會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)嚴(yán)重失真!敝芮赋。
為了找到一個(gè)既能體現(xiàn)故宮建筑典型構(gòu)造特征,又能滿足試驗(yàn)要求的古建筑,周博士和攝制組導(dǎo)演反復(fù)論證研討。最后,他們決定以故宮南三所大門為原型,按照清工部《工程做法則例》相關(guān)規(guī)定,對其開間尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,加工成縮尺比例約為1∶2的試驗(yàn)?zāi)P汀?/p>
周乾介紹,模型建造過程中,瓦作、木作、石作等所有工序嚴(yán)格按照清工部《工程做法則例》進(jìn)行施工!豆こ套龇▌t例》是清代官方頒布的建筑施工工藝標(biāo)準(zhǔn)。
在試驗(yàn)?zāi)P桶惭b過程中,工人有一些不符合復(fù)原故宮官式木構(gòu)古建的施工行為,如對斗拱采用了釘子、柱頂石平面尺寸過小、木材使用了裂紋較大的材料等等。周乾都讓他們逐一進(jìn)行了拆改,原汁原味地再顯故宮官式木構(gòu)古建的施工工藝特征。
“尤其是斗拱,古代斗拱構(gòu)件間采用暗銷及榫卯咬合,不采用釘子。我們希望能最大限度還原眀清官式建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)!敝芮f道。
及時(shí)保養(yǎng) 促進(jìn)古建筑益壽延年
據(jù)統(tǒng)計(jì),自紫禁城建成以來,故宮古建筑經(jīng)受了大大小小至少222次地震的考驗(yàn),其中不乏像1679年北京平谷發(fā)生的8.0級(jí)地震和1976年唐山發(fā)生的7.8級(jí)大地震。
在周乾看來,故宮古建筑之所以能抵御非常罕見的地震,有個(gè)非常重要的前提是:這些古建筑在歷朝歷代得到了很好的維護(hù)保養(yǎng)。在古代,皇帝每年都會(huì)安排大量經(jīng)費(fèi)用于紫禁城建筑的修繕,并有專門的部門負(fù)責(zé)修繕工作。如明代為工部營繕清吏司,清代為內(nèi)務(wù)府營造司。新中國成立后,故宮博物院先后成立古建部、工程管理處、修繕技藝部來對故宮古建筑進(jìn)行定期維護(hù)和修繕。
“建筑就像人一樣,具有生命屬性,時(shí)間長了,難免老化并出現(xiàn)各種病害,如開裂、拔榫、變形、糟朽等。只有及時(shí)采取各種有效措施對它們進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),并采取有效加固措施,才能使它們抵御包括地震在內(nèi)的各種自然災(zāi)害,實(shí)現(xiàn)延年益壽!敝芮f道。(圖片由受訪者提供 記者 唐婷)