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10级强震不倒  故宫古建抗震功夫是如何炼成的

来源:科技日报作者:唐婷时间:2017-08-24 12:05:11
  

  

 

  太和殿立面

  

 

  太和殿平摆浮搁柱底

  

 

  太和殿梁架

  最近,一段“故宫建筑模型在强震模拟中岿然不倒”的视频在微博上火了。这段视频来自英国电视台第4频道制作的纪录片《紫禁城的秘密》。

  故宫博物院研究馆员周乾博士是该纪录片中展示的故宫建筑模型抗震试验的主要设计者。他向科技日报记者介绍道:“这是首次将故宫中某一建筑的整体结构模型放置在地震工况下进行测试,结果出乎意料,模型经受住了10.1级地震的考验”。

  根据地震学理论,一般用地震烈度来表示地震对建筑物的影响程度。但是该片英国导演认为,对英国观众来说,地震烈度的概念比较陌生,而更倾向于接受震级的概念。“因此,在纪录片中,用震级来代替烈度描述地震作用强度。”周乾表示。

  以柔克刚 古建模型强震不倒

  在做故宫建筑模型抗震测试前,英国摄制组曾经做过一些欧洲古代建筑模型的抗震试验,砖石结构模型都以坍塌告终,中国古建筑木结构能扛过强震吗?测试开始前,参与拍摄该节目的英国专家理查德和周乾打了个赌。理查德认为,故宫建筑模型肯定会被震垮。

  起初,在体验3级到4级地震时(地震烈度约为5—6度),模型只是在试验台上轻微晃动。随着地震烈度的不断增加,模型晃动的幅度增大,两侧的砖石墙体出现垮塌。加码到10.1级地震强度时,地震波烈度的峰值已超过历史地震的最大值,振动台加载装置也已达到工作极限。

  然而,在如此剧烈的地震作用下,试验模型仍然保持稳定摇晃,并在震后基本能够恢复到初始状态,建筑整体屹立不倒,立柱只是发生了轻微的位移,充分体现了中国传统木构古建在地震作用下“墙倒屋不塌”的特点。

  “理查德曾向我描述,他在现场感受到,在强震作用下,有一个巨大的冲击力扑向模型。模型开始摇晃,但是始终保持稳定状态。在复位过程中,古建筑模型像揉太极球一样,把地震力往外推了出去。这很像中国太极功夫中的以柔克刚,四两拨千斤。”周乾说道。

  理念先进 强震不倒靠隔震

  故宫建筑模型表现出的“强震不倒”靠的是什么?周乾指出,中国是世界上最早将隔震理念应用到建筑中的国家,故宫建筑的设计建造中充分考虑了抗震的需求,采用了多项隔震技术。

  所谓建筑隔震,就是在建筑基础部位安放可运动装置;地震发生时,通过装置的运动来耗散、吸收部分地震能量,并错开地震波的频率,从而减轻地震对建筑的损害。

  故宫古建筑的隔震是如何实现的呢?周乾举例解释道,比如建筑的柱根并非插入地底下,而是平摆浮搁在柱顶石上。地震作用下,柱根在柱顶石上往复运动,产生摩擦滑移隔震效果。

  故宫古建筑的梁与柱采用榫卯节点形式连接,梁端做成榫头形式,插入柱顶预留的卯口中。地震作用下,榫头与卯口之间反复开合转动,并产生小量拔榫。拔榫即榫头从卯口拔出,但不是脱榫,榫头始终搭在卯口位置。这种相对转动也是摩擦减震、隔震机理的体现。

  柱顶之上为斗拱。斗拱由坐、拱、翘、升等小尺寸构架由下至上层层叠加而成。地震作用下,这些细小构件之间相互挤压、错动,可耗散大量地震能量,并能够延长建筑的晃动周期,产生隔震效果。地震结束后,这些小构件基本能恢复到初始位置,并保持完好。此外,厚重的屋顶犹如一个胖子,在外力作用下晃晃悠悠的往复摇摆,但始终保持稳定不倒,起到了很好的隔震效果。

  力求真实 建造体现故宫建筑特征模型

  太和殿是紫禁城内体量最大、等级最高的建筑物。按英国摄制组最初的设想,他们希望能复制太和殿的模型进行地震测试。

  但受试验条件限制,建筑模型将在一个长宽均为3米的震动平台上接受地震考验,这意味着要按1∶20比例缩小建造太和殿模型。“缩小20倍后,太和殿模型中木柱便只有火柴棍大小,会导致试验严重失真。”周乾指出。

  为了找到一个既能体现故宫建筑典型构造特征,又能满足试验要求的古建筑,周博士和摄制组导演反复论证研讨。最后,他们决定以故宫南三所大门为原型,按照清工部《工程做法则例》相关规定,对其开间尺寸进行适当调整,加工成缩尺比例约为1∶2的试验模型。

  周乾介绍,模型建造过程中,瓦作、木作、石作等所有工序严格按照清工部《工程做法则例》进行施工。《工程做法则例》是清代官方颁布的建筑施工工艺标准。

  在试验模型安装过程中,工人有一些不符合复原故宫官式木构古建的施工行为,如对斗拱采用了钉子、柱顶石平面尺寸过小、木材使用了裂纹较大的材料等等。周乾都让他们逐一进行了拆改,原汁原味地再显故宫官式木构古建的施工工艺特征。

  “尤其是斗拱,古代斗拱构件间采用暗销及榫卯咬合,不采用钉子。我们希望能最大限度还原眀清官式建筑结构特点。”周乾说道。

  及时保养 促进古建筑益寿延年

  据统计,自紫禁城建成以来,故宫古建筑经受了大大小小至少222次地震的考验,其中不乏像1679年北京平谷发生的8.0级地震和1976年唐山发生的7.8级大地震。

  在周乾看来,故宫古建筑之所以能抵御非常罕见的地震,有个非常重要的前提是:这些古建筑在历朝历代得到了很好的维护保养。在古代,皇帝每年都会安排大量经费用于紫禁城建筑的修缮,并有专门的部门负责修缮工作。如明代为工部营缮清吏司,清代为内务府营造司。新中国成立后,故宫博物院先后成立古建部、工程管理处、修缮技艺部来对故宫古建筑进行定期维护和修缮。

  “建筑就像人一样,具有生命属性,时间长了,难免老化并出现各种病害,如开裂、拔榫、变形、糟朽等。只有及时采取各种有效措施对它们进行维护保养,并采取有效加固措施,才能使它们抵御包括地震在内的各种自然灾害,实现延年益寿。”周乾说道。(图片由受访者提供 记者 唐婷)


[编辑:李南曦]
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