[分享]中国古建筑的力学应用

穆子

中国古建筑的力学应用一、概况




塔位于佛宫寺山门与大殿之间的中轴线上,还保持南北朝时代寺院平面布局的传统.塔平面为八角形,高九层,其中有四个暗层(平夹层),所以外部看来只有五层;再加最下层是重檐,共有六层.木塔高达67.3米，低层直径为30.27米，体形庞大，但由于在各层层檐上配以向外挑出的的平坐与走廊，以及攒头的塔顶和塔顶上造型优美而富有向上动感的铁刹，不但不感觉其笨重，反而呈现着雄壮华美的形象，大有唐建筑的遗风。


    木塔的最下层为高4.4米的砖石基础，分为两层，下层为方形，上层为八角形，在塔后有一高台，以甬道与塔基连接，在八角形的基座上布置内槽柱，为檐柱以及副阶前檐柱。所有的柱子都用梁枋连结成一个筒型的框架，塔身底层的内槽柱和外槽角柱都用双柱。墙的下部是砖砌的裙墙，裙墙和土坯墙的交接处枯木一层和生石灰意以防潮，转角增设一柱即可减小梁袱和柱头铜作（斗拱）交接处的剪力，也曾加了构架的稳定性。柱间用厚墙填充可以防止构架的扭曲，提高了坚固性，保证了构架的稳定性。其巨大的基座，坚实．稳定，承载着全塔的重量，据近年的勘测木塔的沉降均匀，未发现倾斜和折沉，如此高质量的基础，为古塔近千年的保留提供了一个稳固的平台。同时说明了当时中国的土木工程的施工技术已相当的成熟和发达了。


    塔身木构架的柱网是采取了“双层环形空间，内环有8根柱子，外柱却有24根柱子”的内外两环柱的套筒式的双层结构的布局。每环都用木枋连接后就构成了两道八角形木环。五个明层的内环栓以内的内槽都供奉佛像，外槽为走廊，塔内部佛像及楼梯布置是科学合理，第一层的佛像体量最大，越往上佛像的体量越小，越轻，从而形成了一种均匀的荷载分布。


    塔的结构事实上是重迭九层具有梁柱斗拱的完整构架。底层以上是平坐暗层，再上为第二层，二层以上又是平坐暗层，重复以至五层为止。各层柱子迭接，每层外柱与其下平座层柱位于同一线上，但此下层外柱退入约半个柱径，各层柱子都向中心略有倾斜，巧妙的柱网布局是采用建筑学上“侧脚”和“生起”的技术，降低了塔的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了塔的稳定性，但由于这种设计缺乏科学的计算，重量全部落在一二层的内环柱子，以至于上部集中荷载将个坐斗压扁或陷入梁枋内，经时间的变迁，造成了内环木柱及梁枋产生横向和纵向的变形，以至于损环，后来不得不在下部加支柱，防止梁枋的折断。


   外槽和层顶使用明袱、草袱两套构件，各层上下柱不直接贯通，平座层、外柱在下层斗拱的挑承的草袱（梁）上，这样既成塔身美丽的曲线，又不超过结构的合理限度，从整体上讲，下大上小，也正是结构的稳定性所需求的，至于内槽柱，把上下各层柱都放在同一轴线上。


所采用体系结构是使用桁架为基本单元所组成的一种古代高层简体结构，这既争取了中部空间，便于放置佛像，也提高了抗弯剪能力使塔身坚固，这种结构体系原理已经被发现代高层建筑所采纳，并被认为是高层建筑中抗震性能最好的一种体系。


    应县木塔将木桁架和木框架交替使用时，为了加固框架层，再八边形木塔的四个斜向应面上，自上而下采用了柱尖尖刀撑做做法，这与1965/1970年，美国芝加哥的高层建筑汉克大厦的立面完全一致，虽然所使用的材料虽不同，但在力学原理上完全一致。


    我国木结构技术的发展，从浙江余姚河姆渡遗址出土的带有榫卯结构的干阑式房屋遗址算起，至少已有近七千年的历史，通过历代匠师的辛勤、智慧的营造实践逐步积累了丰富的经验，掌握了若干木结构的规律，到了辽宋时期，高层木构的设计和施工已相当成熟，对于高层来说，风力是一项不容视的水平荷载，对于这一点，辽宋匠师是有明确认识的，和应县木塔相近的宋汴京城（今开封）天宝寺木塔，是由当时杰出匠师喻皓设计、督造的。他考虑到西北风比较大的因素，因此使塔的建设的过程中让塔身向西北倾斜，以增强它抵抗相应方向弯矩的能力。经过一定时间，风的水平荷载自然扶直木塔，可惜的是这座木塔早已消失。


    为了抵制风力以及地震横波的推力，防止水平向的位移和扭位，卓越的古代匠师使用了大批斜撑固定复梁，这种撑杆和复梁的组合体，从性能上可分两大类，一类是使用平座内槽系统和外檐系统各自加大它们的稳定性；另一类是使内外两层系统保持它们的相对位置，由于这些撑杆的连结，构成了整体空间系统，一经受力，各构件就可以联合作用。


    木塔横梁与间柱的连接完全通过斗拱完成，全塔完全不用一钉一铆，而由五十余种不同形成的斗拱和梁柱镶嵌穿插吻合而成，既能使接触面积增大，从而减小积压应力，又能使木梁的跨度减小，从而弯曲应力也减小，同时这种斗拱形式的节点是一种柔性节点在受到巨大外力作用时，全塔的每个木构件都可以产生一定的位移与形变，从而抵消外力，当外力解除时又能恢复原状，这种以柔克刚的办法，正与现代地震工程学者为改善房屋抗震性能出的种种设想不谋而合。


    楼梯被周围布置在结构的外槽中，避免了重量的高度集中问题。这既考虑垂直交通的实用要求，又兼顾结构的合理性而设计的，因为楼层比较高，为使楼梯坡度不致太陡，每层都分作两跑而上，利用夹层做休息平台，夹层中每在楼梯处都不能安置斜撑，因而造成结构上的弱点，为使弱点分散，楼梯每隔一面安置一道，采取沿塔身螺旋而上的办法。


    平座夹层（暗层）的结构，就是采用斜撑和梁柱组成的一道平行桁架式的圈梁。在这个圈梁内环上，双叠置由四层枋子组成的一道井干式的圈梁、整个夹层，实际是一个个牢固的刚性的箍，在五层塔身中，间隔均布了这样的四道刚性箍，更加强了塔的整体性，在外观上，夹层巧妙地处理成为各层平座腰檐，结合建筑的处理，在塔的五个正式楼层上内槽柱组成的中央供奉佛像，内槽和外檐之间是供人通行的空间，因此不设斜撑。


    总之，保存近千年的应县木塔，不但是世界上现存最高的木结构建筑之一，而且说明在当时技术条件下，塔的造型和结构达到了较高水平，说明这时期或者更早，中国木构建筑所取得的重大成就。应县木塔不愧为古代高层木构的杰作，它是古代文化的出色遗产，可供我们建筑设计借鉴，这座高大的古代木构建筑在千余年的风荷载作用下，木材反应的情况实在是难得的材料力学方面的资料。因此，它也是我们进行学习，研究的珍贵标本。