故宫古建抗震功夫是如何炼成的?

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  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形态学 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。却说该片英国导演认为,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。“却说,在纪录片中,用震级来代替烈度描述地震作用效率。”周乾表示。





太和殿立面

  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,英国摄制组从前做过许多欧洲古代建筑模型的抗震试验,砖石形态学 模型都以坍塌告终,中国古建筑木形态学 能扛过强震吗?测试现在刚始于前,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),模型却说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,两侧的砖石墙体跳出垮塌。加码到10.1级地震效率时,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,在那末剧烈的地震作用下,试验模型仍然保持稳定摇晃,并在震后基本并能恢复到初始情況,建筑整体屹立不倒,立柱却说居于了轻微的位移,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,有两个多 巨大的冲击力扑向模型。模型现在刚始于摇晃,却说始终保持稳定情況。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。

太和殿平摆浮搁柱底

  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”靠的是那先 ?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,却说在建筑基础部位安放可运动装置;地震居于时,通过装置的运动来耗散、吸收偏离 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保实现的呢?周乾举例解释道,比如建筑的柱根不用说插入地中间,却说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,并产生大量拔榫。拔榫即榫头从卯口拔出,但完整时会脱榫,榫头始终搭在卯口位置。一种生活 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,那先 细小构件之间相互挤压、错动,可耗散大量地震能量,并并能延长建筑的晃动周期,产生隔震效果。地震现在刚始于后,那先 小构件基本能恢复到初始位置,并保持完好。此外,厚重的屋顶犹如两个多 大胖子,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形态学 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,朋友希望能克隆技术太和殿的模型进行地震测试。

  但受试验条件限制,建筑模型将在两个多 长宽均为3米的震动平台上接受地震考验,这意味着着要按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不到火柴棍大小,会意味着着试验严重失真。”周乾指出。

  为了找到两个多 既能体现故宫建筑典型构造形态学 ,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,朋友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,工人有许多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。周乾都让朋友逐一进行了拆改,原汁原味地再显故宫官式木构古建的施工工艺形态学 。

  “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。朋友希望能最大限度还原眀清官式建筑形态学 特点。”周乾说道。


太和殿梁架

  及时保养不利于古建筑益寿延年

  据统计,自紫禁城建成以来,故宫古建筑经受了大大小小大概222次地震的考验,其中不乏像1679年北京平谷居于的8.0级地震和1976年唐山居于的7.8级大地震。

  在周乾看来,故宫古建筑固然能抵御非常罕见的地震,有个非常重要的前提是:那先 古建筑在历朝历代得到了很好的维护保养。在古代,皇帝每年时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,难免老化并跳出各种病害,如开裂、拔榫、变形、糟朽等。不到及时采取各种有效方法对它们进行维护保养,并采取有效加固方法,并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。

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