故宮古建抗震功夫是如何煉成的？
最近，一段“故宮建筑模型在強震模擬中巋然不倒”的視頻在微博上火了。這段視頻來自英國電視臺第4頻道制作的紀錄片《紫禁城的秘密》。
故宮博物院研究館員周乾博士是該紀錄片中展示的故宮建筑模型抗震試驗的主要設(shè)計者。他向科技日報記者介紹道：“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行測試，結(jié)果出乎意料，模型經(jīng)受住了10.1級地震的考驗”。
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的概念。“因此，在紀錄片中，用震級來代替烈度描述地震作用強度。”周乾表示。
太和殿立面
以柔克剛古建模型強震不倒
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，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賭。理查德認為，故宮建筑模型肯定會被震垮。
起初，在體驗3級到4級地震時（地震烈度約為5—6度），模型只是在試驗臺上輕微晃動。隨著地震烈度的不斷增加，模型晃動的幅度增大，兩側(cè)的磚石墻體出現(xiàn)垮塌。加碼到10.1級地震強度時，地震波烈度的峰值已超過歷史地震的最大值，振動臺加載裝置也已達到工作極限。
然而，在如此劇烈的地震作用下，試驗?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。
“理查德曾向我描述，他在現(xiàn)場感受到，在強震作用下，有一個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。”周乾說道。
太和殿平擺浮擱柱底
理念先進強震不倒靠隔震
故宮建筑模型表現(xiàn)出的“強震不倒”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)計建造中充分考慮了抗震的需求，采用了多項隔震技術(shù)。
所謂建筑隔震，就是在建筑基礎(chǔ)部位安放可運動裝置；地震發(fā)生時，通過裝置的運動來耗散、吸收部分地震能量，并錯開地震波的頻率，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)運動，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，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)動也是摩擦減震、隔震機理的體現(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，這些細小構(gòu)件之間相互擠壓、錯動，可耗散大量地震能量，并能夠延長建筑的晃動周期，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)制太和殿的模型進行地震測試。
但受試驗條件限制，建筑模型將在一個長寬均為3米的震動平臺上接受地震考驗，這意味著要按1∶20比例縮小建造太和殿模型。“縮小20倍后，太和殿模型中木柱便只有火柴棍大小，會導(dǎo)致試驗嚴重失真。”周乾指出。
為了找到一個既能體現(xiàn)故宮建筑典型構(gòu)造特征，又能滿足試驗要求的古建筑，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，對其開間尺寸進行適當(dāng)調(diào)整，加工成縮尺比例約為1∶2的試驗?zāi)Ｐ汀?/p>
周乾介紹，模型建造過程中，瓦作、木作、石作等所有工序嚴格按照清工部《工程做法則例》進行施工。《工程做法則例》是清代官方頒布的建筑施工工藝標準。
在試驗?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。”周乾說道。
太和殿梁架
及時保養(yǎng)促進古建筑益壽延年
據(jù)統(tǒng)計，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，其中不乏像1679年北京平谷發(fā)生的8.0級地震和1976年唐山發(fā)生的7.8級大地震。
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保養(yǎng)。在古代，皇帝每年都會安排大量經(jīng)費用于紫禁城建筑的修繕，并有專門的部門負責(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行定期維護和修繕。
“建筑就像人一樣，具有生命屬性，時間長了，難免老化并出現(xiàn)各種病害，如開裂、拔榫、變形、糟朽等。只有及時采取各種有效措施對它們進行維護保養(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，實現(xiàn)延年益壽。”周乾說道。
