千年前中國古建就采用了隔震技術

從建成已950年的應懸木塔（高66m、重2940噸）來看，在其近千年的歷史中，它經歷過的地震^[6]有：1057年的河比固安地震6.75級、1102年的太原地震6.5級、1305年的懷仁應縣地震6.5級、1337年的懷來地震6.5級、1367年的朔縣地震5.5級、1484年的居庸關地震6.75級，至今建築狀況良好，結構安全無恙。這從結構抗震的角度來看，令人費解實屬奇跡。但深層思索，並從當今興起的結構隔震角度來看，則它無疑是結構隔震歷史上的應用面最廣，出現歷史最早的偉大創舉。對其屬於隔震的機制我們可從下述方面看出。

（1）從力學原理來講：建築結構無論承受何種外力，該外力必須通過結構內部的工作（產生彎矩、軸力、剪力）傳給地基取得平衡之後才能確保結構的安全。風力對結構的作用是將風——這一水平外載直接施加給結構上，通過結構內各部受力應變傳遞將水平外載傳給地基。這裡最可直觀感知、意識到的就是底層柱承受的層間剪力——即柱在頂底兩面上承受方向相反的水平力。在此狀況下柱要傾倒，於是柱頂的梁枋提供約束力矩M_b及M_f制止柱的傾倒——此即前述的柱抗風機制。

（2）但地震對結構的作用與風載作用不同。地震是從地面瞬間產生位移起始而出現的。對於當今的常規建築結構、不論磚石結構、砼結構、其牆、柱對地基甚至頂部梁多是剛性固接，這就使瞬間的地面位移量通過牆、柱的層間剪力向上傳遞，使上層也出現瞬間位移並伴隨有放大效應^[12]，層層出現的瞬間位移是有著瞬間加速度的反應，有加速度就出現力這對建築產生的危害是人所共知的。對於中國古建木構架來講，它卻和當今常規結構有著全然不同的以下特點：

1木構架皆為木柱支承。一律不設支戗類斜撐構件。

2柱底立於柱礎石上、柱頂平放梁件、上下皆為明顯的鉸接，對木柱不提供嵌固效應。因之，就梁柱關系而論，柱屬於上下鉸支。若計及此前所述梁對柱所具有的“柱頂底傳力移位效應力矩M_b”，該M_b也僅是對出現擺動的柱提供復位功能，而不引發層剪力。

3柱與枋件的連接皆為燕尾榫相連。由於該榫的就位是由柱頂順槽落下擠入卯槽，下落過程中外卡柱面、內擠卯槽斜壁，且又是整根枋件同時左右落下就位，故施工必然存在允許的松馳誤差，這使柱在出現起步變形S之前所形成柱與枋的關系也是鉸接。

4細究有關起步變形S的影響大小，可作如下估算：設榫在拉緊擠實卯槽側面的過程中須產生1.5mm的頂緣變形，而底緣的枋端與柱面密合縫隙，貼緊柱面也要有1.5mm的底緣變形，今設枋件高200，柱高4m，則由於榫的密合接觸帶來柱頂出現相對位移a的值可由下式求得。

              即a=60mm

此a值表明：當地震時，地面位移小於60mm時，木構架中的枋件是不參預工作——不約束柱的變形，亦即柱的工作屬於上下端皆為鉸接。

（3）通過上述可看出，中國古建結構對地震的反應與當今常規結構的反應大有差異，它在枋端榫出現起步變形之前，即枋件不對柱的側傾提供約束力矩的情況下，柱的工況是上下為鉸。這樣，地震出現瞬間反復的地面位移對柱就形成不了有效的層間剪力（梁放柱頂之上尤如梁端放在一個可轉動的直徑同柱高的巨型輥軸之上），各層柱皆無剪力，而地震對結構造成的僅是接觸地面的底層柱的搖晃擺動，上部則基本平穩無事。此效果也正是當今結構工程界熱門追求的隔震處置。從應縣木塔看，效果如此良好的隔震措施出現在千年以前，這無疑是當時一項舉世的偉大創舉。

5.2 中國古建柱枋梁剛柔相濟結構體系是十分成功的優越體系

中國古建結構，不論是考究一點的民宅，還是帝王起居活動的宮殿，甚至廟、塔等類其上部結構構成的主件都具有柱、枋、梁（檩屬其內）三類（它沒有當今設計常用、工地臨時多用、人類自古就熟悉用於扶持穩定柱的斜撐類構件）。這使人們對於建築的靈活使用大為方便，可大開門窗，便於街道形成市面，甚至取消門窗形成亭、塔、榭。這類量大、歷經數百年的木構古建能完整保存至今的事實，有力地說明了僅由柱、枋、梁（一般柱的高寬比以用11^[1]，梁檩直壓柱頂，上柱再壓梁上，梁下必有枋，枋與柱以燕尾榫相連，梁枋間適當留隙）組成的古建柱枋梁木構體系，其受力性能是合理的，生命力是頑強的飓風不倒，地震不塌，技術成就之大就當時條件而論是驚人的。近一步講，可從以下承重、抗風、隔震三方面看出。

1 屋頂采用舉架做法，這在出現力學理論之前，它對細徑木料用於較大跨度條件是一項高明的技術手段。力學計算表明，舉架底柁梁的彎矩比相等跨度梁的彎矩值有可能減小到50%上下。

2 采用少許加寬的柱身（高寬比用11，這與當今木結構、砼結構設計規范^[2]、[3]中可允許高寬比到35～50相比，明顯看出匠師的用心所在），梁放柱頂，梁上再立柱的營造法則，這使梁在上下柱間具有了透榫的特性，具有了對柱較強的傳力移位效應，在古建自重較大的情況下這使多層結構（如塔類建築）的抗風能力大為加強。但同時由於上下層柱確系斷開，故對隔震不存在不利影響。

3 不用很簡便的斜撐將柱支穩，而是選設兩端做燕尾榫的枋件（初看，與承受豎重絲毫無關）與柱卯接，此營造法則使結構具有了能成功隔震的機制，從而使地震對結構的危害減為最小；同時對單層的抗風能起可靠作用。

可以想象以上在承重、抗風、隔震三方面結構都具有優越性的古建，其對柱枋梁剛柔相濟而不倒的三要素（取消斜撐用寬柱、梁出懸頭隔開上下柱，設枋做榫卯連柱）的構成絕不會是隨機偶然的組合。它是古代具有超凡悟性智慧的匠師們通過代代相傳對飓風、強烈地震的觀察、思索、比試、分析。不斷地悟出力學上一點一滴的感知概念知識！不斷發展、改進直至成熟，雖然他們缺泛力學的理論根底，但他們聚合積累的深刻感認知識使他們能穩重屢進地對古建結構作出飓風不倒，地震不塌的法則決策與不朽的工程業績。

5.3 在結構技術上中西古建的對比

人類自從有了營造意識以來，就一直為改進人們生活居住的房捨而努力，在技能底下，工具簡陋的營造作業歷史長河中，人們都是面對取材廣泛的林木，著力進行著以木材為主的房捨營造。以木為主——這不是那個民族或那個帝王的旨意。它是由技術與物質條件所決定，一是材料來源廣泛；二是搬運與加工相對比較方便；三是在其內生活較比舒適。就此基本條件而論，可謂東西方的房捨營造是同時起步的。然而直至現代科技（力學、鋼材、水泥）出現時，東西方在房捨營造的技術、藝術、遺留古跡方面卻出現了巨大差異。中華古建首先由於對古建結構采用了剛柔並相濟的柱枋梁處置超凡技術，能確保建築來飓風不倒，遇地震不塌、傳承穩固，使附於其表的建築造型藝術美代代發展、光彩倍增、達到輝煌燦爛的地步。而西方的古建木構由於結構技術未能突破大自然暴力的限制，屢遭飓風、地震的摧殘而不能形成傳承發展的體系，故而至今顯得茫然無存。不可否認西方有著不少壯麗的石砌宗教類型建築，但它不是為人們的生活起居所用，而是要體現宗教的神力。它是宗教對立時代各自宣揚的映證，更是奴隸社會特有的成品。這些巨大的石砌結構在技術上除了石材的超高堆砌之外，別無其它結構技術特長之處。

六  中國古建的今後工作

當今的建築結構已進入有電腦參予的時代，這與對力學理論都全然無知的古建盛興時期大為不同的是：建設場面無限、用材皆來自大工業生產、性能特出完備，營造過程皆有大工業設備的強力支撐，工程的結構設計進入了數值定量、比對、優化決擇。科技一體化的潮流已不再有東西方建築的差別，但存在早進晚入（我國就比西歐晚了一百多年，這是我們民族的遺憾）。在這種情況下，曾經輝煌上千年的中國古建必然應該是光榮退休，在大局面上讓位給現代建築事業。然而，中國古建是遠源流長、博大精深中華文化的重要載體，具有對全球華人凝聚力的重要特征。因此，對古建的維護，在特殊場地建造一些也能好快省完工的仿古建築，及至在新建築領域中適當顯現具有古建特色的氣質、風韻點綴……就成為古建事業退休後的一些課題，擇其要者可有以下幾點：

（1）對古建的維護應著重研究柱梁枋三件交接部位，對薄弱環節的強度計算與補強加固的細部處置技術，以減少大修中的落地換件。

（2）對復古的亭榭類建築應開展一些必要的科學試驗研究（如對本文中M_f、M_b、S、K值的測試）提出對榫卯制作精度的要求，以增強古建結構的科學性、做到對安全度評價心中有數。

（3）要推動仿古建工作的研究進行，要認清它不是冒牌古建，而是與現代技術結合的發展進步。應在其中盡量用好新技術、新材料如鋼結構、彩板瓦等。也應做好有關古建構造、節點所需備件的研究、生產及供應等工作，以擺脫需要時供貨難求的困境。

參考文獻

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