中国古建木结构受力特性研究相关问题刍议.pdf

第 2 8卷 第 1 期 2 0 1 2年 3月 北京 建 筑工 程学 院 学报 J o u r n a l o f B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e V0 1 ． 2 8 NO．1 M a r ． 2 01 2 文章编 号 1 0 0 4 6 0 1 1 2 0 1 2 0 1 0 0 2 7 0 3 中国古建木结构受力特性研究相关问题刍议 王 玮 北京建筑工程学院 北京建工建筑设计研究院 ， 北京1 0 0 0 4 4 摘 要 我 国的古建 筑以木 结构举 架 支撑 为主要表 征 ， 以灵 活 多变 ， 布局 和精 巧 细致 的装 饰 闻名 于 世界， 其风格高雅别致、 景深开阔、 气韵生动， 形成我 国独有的建筑特 色， 并深 受各国人 民的喜爱和 推 崇， 享有极 高的 赞誉．木 结构广 泛应 用 于我 国历代 的 建 筑物 中， 从 帝 王的 宫殿 到 平 民 的住 宅 ， 均 使 用木 结构做 主要 架构．因为古 建筑木 结构 的木材 特性 、 结 构特征 的不 同， 容 易发 生 变形 、 开裂 、 受 潮、 腐蚀 、 火灾损 害等不利 后果 ， 因而需要 格 外 的保 护 和特 殊 的修 缮 方 式．通 过 对我 国古 建 筑木 结 构的材 质特征 、 结 构特征 的分 析 ， 找 寻保 护、 维修 古建筑 的方 法． 关键词 中国古建 ；木 结构 ；建 筑构 架支撑 中 图分 类号 T U 3 6 6； T U 一 0 9 2 文 献标 志码 A S o me Pr o bl e ms a b o ut t h e An c i e nt W o o de n S t r uc t u r e Ch a r a c t e r i s t i c s i n Ch i na W a n g W e i I n s t i t u t e o f B e i j i n g J i a n g o n g A r c h i t e c t u r e D e s i g n ，B U C E A B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 Ab s t r a c t Th e ma i n c h a r a c t e r i s t i c s o f a n c i e n t b u i l di ng s i n Ch i n a i s t o u s e t i mbe r s t r uc t u r e f r a me wo r k t o s up p o r t ，a n d i t i s f a mo us t h a t t h e y h a v e fle x i b i l i t y，r e a s o n a b l e l a y o ut a n d d e l i c a t e a d o r me n t ；i t s s t y l e i s e l e g a n t ；d e p t h o f f i e l d i s o p e n a n d l i v e l y ． Al l t h e s e a b o v e f o r m t h e u n i q u e a r c h i t e c t ur a l f e a t u r e s ，a n d d e e p l y l o v e d a n d r e s p e c t e d b y t h e p e o p l e a l l o v e r t h e wo r l d．Th e r e a s o n t h a t wo o d e n s t r u c t u r e i s wi d e l y u s e d i n d i f f e r e n t b i l i l d i n g s i n t h e g e n e r a t i o n o f o u r c o u n t r y，f r o m k i ng ’ S p a l a c e t o c o mmo n p e o p l e ’ S h o us e， i s t ha t t h e y a l l u s e d t h e t i mb e r s t r u c t u r e t o s u p p o r t ． Be c a u s e t h e t i mb e r c h a r a t e r i s t i c s a n d s t r u c t u r e f e a t u r e u s e d i n a n c i e n t b u i l di n g s a r e d i f f e r e n t ，s o me o f t h e m a r e o u t o f s h a p e，c r a z e，d a mp，c o r r o s i o n a n d f i r e d a ma g e，t h e y n e e d s pe c i a l pr o t e c t i o n a nd ma i n t e n a n c e．By a n a l y s i n g t he m s o me g o o d me t h o d s t o r e p a i r a r e g i v e n i n t h e pa p e r ． Ke y wo r d sa n c i e n t bu i l i d i n g s i n Ch i n a；t i mb e r s t r u c t u r e；f r a me wo r k s up p o n t 我国古建筑的木结构特征萌于殷商 ， 成型于春 秋 ， 规 范于唐 宋 ， 完善 于 明 清 ， 并 被历 代 建 筑 师广 泛 应用于殿宇、 房屋 、 桥、 塔等工程之中， 形成了以榫卯 柔性连接工艺为特征 的木结构举架支撑体系， 迄今 为止已有近 3 0 0 0年的历史．在木结构建筑 的发 展 史 中， 突出的成果是为了实现设计的标准化 ， 使不同 的建筑物及各分部之间的尺寸统一协调 ， 使之具有 通用性和互换性 ， 以加快设计速度 ， 提高施工效率 、 降低造价 ， 从唐代开始实施了模数制． 随着科学的进步和现代城市建设的发展 ， 古建 筑的木结构正在从经验传承进入到理论分析和科学 研 究 阶段 ．作 为 中 华 文 明 的代 表 性 建 筑 模式 ， 中 国 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 3 作者简介 王玮 1 9 6 4 ～ ，男， 工程师 ， 硕士 ， 研究方向 土木结构 、 钢结构 2 8 北京 建筑 工程 学院 学 报 占建筑的木结构特性值得继续 为学界所研究 ， 以更 减退． 好地实 现对古 建筑 和 文物建 筑科学 研究 和保 护． 2 中国古建筑木结构 的斗棋 形制和榫 1 中国古建筑木结构特性所依据的哲 卯连接特性 学基础 中国古建筑主要采用木结构 ， 它运用木材制作 立 柱 、 房 梁 ， 并 搭建 建 筑 框架 ， 房顶 和屋 檐 的重 量 都 被 立柱 和房 梁支撑 起来 ， 墙体 的作用 不是 支撑 ， 而是 分 隔空 间 ， 给 建 筑 布 局 留下 了想 象 和 发 挥 的 空 问 ． 我 国自古形成 的这种木结构建筑特征 ， 有其形成 的 历史 渊源 和人文 理 念 ， 形成 区别 于 西方 建 筑 以石筑 为主基调 的建筑 风 格 ．在 我 国 的 建筑 理 念 中 ， 受 到 阴 阳五 行 、 金 木水 火土相 生相 克学说 思想 的影 响 ， 体 现 在建 筑风 格 中即是土 为根 本 ， 孕 育生命 ， 具有 负载 使 命 ； 木为 支撑 ， 象 征着 生 命 活 力 的始 源 ， 故 而 在建 筑 中多以土 地广博 ， 梁 柱坚 实为表 现． 此 外 ， 与西方 不 同 ， 我 国传统建 筑 文化崇 尚空 问 布局 和阴 阳风水 的 调 和 ， 把 整 体 建 筑分 隔 成 相 互对 称 、 照应 的隔问 ， 重视 利 用 景 深 所构 建 出的雅 致 、 和 谐．风水 学说通 过 强调 以人 为 中心 ， 万 物 之 间 相互 联系 、 相互 依存 、 相互 矛盾 、 相互转 化 的原理 ， 从宏 观 上优 化组 合 ， 在关 注 整体性 的 同时 ， 寻 求各 自之 间最 平 衡 和谐 的关 系． 巾 国 的发 源地 在 于 长江 流域 和 黄 河流 域 ， 古 代 中 国的这 两河 流域 森林茂 盛 ， 森林 比石材更加 丰富 ， 由于 对青 铜器 时代 工 具 而言 ， 加 工 木 材要 比石 材 更 容 易 ， 建筑 哲学 的原 因 ， 木 质材 料 被 人 们广 为 接 受 ， 成 为建筑 材料 的主 流． 在选择木材上， 中国古代建筑有 自己独到的选 材标 准 ．由于 针 叶树 种 ， 如 红 松 、 白松 、 黄 花松 有 顺 直 的树 干和 耐腐朽 能 力强 ， 并 有相 当强 的变形 能力 ， 且 易于加 工 ， 常被 用作 梁柱 ．当料不 够 大时 ， 也 常采 取拼 接 的方法 ， 以获 得较 大 的截面 ． 针 叶树 材质具 有较 强 的弹性变 形能 力和较 好 的 延性能力， 在长时间的负载后 ， 木材会在发生一定程 度 的变形后停止变形 ； 在反复荷载作用下， 可以看出 其滞迥 曲线有很好的耗能效果． 由于木材是天然有机材质 ， 周围的温度 、 湿度等 气 候 因素和 其它 外部 环境 因素 ， 都会 对 其产生 影 响 ， 造成木材损耗的后果， 严重时会发生残损 、 折 断， 使 整体建筑遭受毁坏．因为木材的 自然属性决定 了木 材 的抗 拉 性 能 和 抗 压 性 能 会 随 使 用 年 限 的 增 加 而 中 国现存 最 早 的木结构 建筑 是建 于唐 代 的 台 山南禅 寺和佛 光寺 部分 建筑 ．分析 包括 此 建筑 与其 他 传承 下来 的建筑 ， 进行 技术 分析 ， 我们 会发 现这样 一 些特 征． 2 ． 1 中国古 建筑 木结构 的 斗棋 形 制 斗 棋形 制 ， 又称斗科 ， 是 我 国古代 建筑 木结构 的 关 键性 部件 ， 其 主要被 应用 于横梁 和立 柱之 间 ， 通 过 斗棋将 屋顶 和负 荷承载 传递 到立 柱 ， 同时 ， 又具 备一 定程度 的装饰 、 美 观性 能 ， 是 我 国古典建 筑 的显著 特 征之一 ．斗棋 在我 国古 建 筑 的应 用 中历 史 久 远 ， 它 既能 彰显观 赏性 ， 又能 起 到荷载重 量 的功用 ， 具体 表 现在 斗棋连 接立 柱 和 梁架 ， 分担 了屋 顶 和 房 梁 的重 量 ， 并 将重量 转 到立 柱 上 ， 实 现 了重 量 由屋 顶 、 房 梁 到立柱 的转 移 和 承 接．此 外 ， 斗棋 还 有 延 伸 建 筑 布 局 的功能 ， 装饰 屋檐 ， 减缩 梁 问跨 度 等增加 观赏 性 的 作用 ． 2 ． 2 中 国古建 筑木 结构 的榫 卯连 接 榫 卯 榫头 卯 眼 的简 称 是 我 国传 统 古 建 筑 木 结构 中 的接合两 个 或 多个 构 件 的方 式 ， 榫 卯结 构 稳 定牢 固， 榫 和卯 的嵌入 结 合 ， 可 限制 木材之 间 的移动 变化 ， 拆 卸运输 、 维 护 修 复也 非 常 便 利 ， 并 且 榫 卯 的 连 接是 利用 嵌 扣 组 合 ， 而 非 用 铁 钉 、 螺 丝 等 钉 人 固 定 ， 不会 从 内部 破 坏 木材 品质 ， 加 快 木 材 的损 耗 ， 从 而延 长 古建 筑 木 结 构 的 使 用 寿 命 ， 提 高 建 筑 品质 ． 我们应 当对榫 卯 的 力学 原 理 做进 一 步 研 究 和 探讨 ， 在 我 国古建 筑 的复 杂榫 卯 连 接结 构 中 ， 找 到 榫 卯力 学支撑和相互作用的科学理论 ， 对古建筑技 艺传承 发展和对古建筑进行维护修复起到帮助作用． 研 究 证 实 ， 中 国古 代 的建 筑 充分 发 挥 了 木结 构 的特性 ， 达 到 了技 术 与艺术 形象 的高 度和谐 ， 表 里如 一 ．我们的祖先 当时对数学 、 力学 、 材料学 、 结构学 的研 究 已经取得 了相 当惊 人 的成 就 ， 对 地 震 的破 坏 机理 也相 当 了解 ， 通 过 斗 棋 形 制 和榫 卯 连 接 特性 等 技术 ， 成功实现 了建筑 的抗震．我国大量 的古代建 筑都 成功 地经 受住 了大地 震 的考 验 ， 天 津 蓟 县 独 乐 寺观音阁、 山西应县木塔等建筑 ， 千百年来 ， 在多次 强 烈地震 后都 屹立 不倒 ． 第 1 期 王 玮 中国古 建木 结构 受力 特性研究相关 问题 刍议 2 9 3 中国古建筑木结构的研究方 向 1 迄今为止， 对于 中国传统 的举架结构 ， 尚无 法 正确地 绘 出其静力 和动 力下 的计算 简 图和计 算模 型 ．举 架 结 构 柱 与柱 础 之 间 ， 既 非 铰楼 ， 又非 刚 接 ， 颇似瞬时可变结构．但在地震现场的调查实践 中， 又发 现其有 相 当好 的抗 水平 力 能力 ．这种 理论 和 实 践的差异 ， 至今缺乏令人信服 的科学论证．在计算 技 术 高度发 展 的今天 ， 纵有超 人想 象 的计 算速 度 ， 没 有正 确 的计 算模 型 ， 就 不会有 正确 的结 果． 2 在举架结构 中， 梁和柱 的连接是保证房屋结 构稳定 的关 键．有如 铰 接 的榫 接 的梁 柱 ．为 何 在水 平力 的作 用下 ， 随着连 接处 的角变 形增 大或减 小 ， 甚 至表现出阻力加大的现象．这说明屋顶的垂直力作 用 ， 使 得节 点 的摩擦 力 增 大 ， 从 而 阻 止 了节 点 变形 ， 这个重要作用至今我们还不能给出其工作机理和定 量 的影 响数据 ． 3 中国房屋 的墙 壁 属维 护结 构 ， 除 自重 外 并 不 承担 屋顶 重量 ．但 在 中 国古 建 筑 或 者 传 统 民居 中 ， 维护 墙 的厚 度 多在 6 0 0～1 0 0 0 m m 或 更 厚 ， 并 且 在 构造 上 ， 墙 对 柱 形成 堵 严 、 挤 实 、 卡 满 ．有 些 百 年 以 上 的老房 ， 在几 乎所有 柱 的柱根 全部烂 掉 的情况 下 ， 房屋 仍然 未塌 ， 说 明墙 对柱 的捧 举 作用 ．此外 ， 维 护 墙在水平力作用下 ， 对柱倾斜变形起到极大 的限制 作用 ．这 从另 一 个 角 度诠 释 着 一 个 从 结 构 力 学 上 分析 的可 变 结 构 ， 何 以 能 够 抵 抗 地 震 反 复 的水 平 作用 ． 4 中国 的大 型 古 建筑 例 如 木 塔 ， 构 件 众 多 ， 所形 成 的高次 超静 定 结 构 ， 保证 了在 局 部构 件 失 效 情况 下 ， 通过 内力重 分配 ， 仍可 有效地 保证 结构 的整 体稳 定 ， 正 是基 于这 种 复 杂 的超 静 定 空 间结 构 力 的 调整能力 ， 才使我们不可思议地对这些早被宣布为 危 险结构 的塔 、 桥 、 房 屋至今 仍 屹立 不倒 ．这 就需 要 我们扩大视角 ， 从空问概念出发去探讨复杂木结构 的结构特性． 5 关 于中 国大式 建 筑 中 的斗拱 ， 过去 多 从 法 式 方 面进行研 究 ．尽 管斗拱 的功 能 已 由隋唐 的受力 功 能逐步向明清的装饰功能转化．但它在房屋中的抗 震功能始终是有效的．中国传统建筑的屋顶巨大而 沉重 ， 正是因为屋顶下周 圈的斗拱在地震 中的弹簧 和吸能作用 ， 有效地减轻 了房屋在地震波的垂直作 用 和水平 作 用下 的屋顶惯 性 力． 6 近年 来 城 市 地 下 交 通 发 展 迅 速 ， 地 铁 、 城 铁 对 地 面木 结 构古建 筑长期 微震 动 的影 响后 果 的研究 尚属空 白．建设 建 立 长 期 观 测 体 系 ， 以为 该 项研 究 提供科 学 数据 ． 7 中国传统木结构 ， 其 用材属于天然生成 ， 近 年来修缮用材树种稀缺， 极少储备 ， 现砍现用 ， 无法 控制 含水 量 ．建 议 国 家 开 发 修 缮 用 木 材 的专 用 林 区 ， 丰富用 材 品种 ， 扩 大 自然 干 燥 优 秀用 材 的 储 备 量 ， 为今后维护木结构房屋提供合格的资源． 正是 以上诸多次要而隐性的问题 ， 没有被纳人 中国木结构古建筑的破坏机理 中去 ， 致使长期 以来 人们 对举 架 的受 力 特性 ， 缺乏深 入 的了解 ， 一 些极 重 要 的抗力 潜能 多被研 究者予 以忽 略．这就 是 为什 么 看似构造上薄弱的举架 ， 却能抵抗地震作用及地基 下 沉而不 坏 的 内因． 参 考文献 [ 1 ] 杨文． 论徽州古建筑装饰艺术 的人文精神 [ J ] ．江南 大 学学报 人文社会科学版 ， 2 0 1 0 2 1 2 6 [ 2 ] 徐 明刚 ， 邱洪兴 ． 古 建筑木 结构 老化 问题研 究新 思路 [ J ] ．工程抗震 与加 固改造 ， 2 0 0 9 2 9 6 [ 3 ] 王云升 ， 刘 洁慧 ， 高美娟． 浅谈古建 筑木结构 材性及 结 构特性 [ J ] ．科技创新导报 ， 2 0 1 0 1 4 5 1 [ 4 ] 赵萌 ， 李朝欣 ， 张靖雪． 中国古建筑 木结构 的艺术价值 与结构力学分析 [ J ] ．美 术大观 ， 2 0 0 9 5 2 1 0 [ 5 ] 袁东 ， 王晓欢 ， 费 本华 ， 等． 中国发展 现代 木结 构建 筑 现状与优势 [ J ] ．林业经济 ， 2 0 1 1 1 0 6 1 [ 6 ] 方东平 ， 俞茂 铉 ， 宫本 裕 ， 等． 木结构 古建 筑结 构特性 的计算研究 [ J ] ．工程力学 ， 2 0 0 1 1 1 3 8 [ 7 ] 胡卫 兵 ， 韩广 森 ， 于海 平． 古 建筑 榫 卯节 点 刚度 分 析 [ J ] ．四川建筑科学研究 ， 2 0 1 1 6 4 5 [ 8 ] 陈 国莹． 古建筑 旧木材材 质变化及 影响建筑 形变 的研 究 [ J ] ．古建园林技 术 ， 2 0 0 3 3 4 9 [ 9 ] 赵鸿铁 ， 张锡 成 ， 薛建 阳， 等．中国木结 构古建 筑的 概 念设计思想 [ J ] ． 西 安 建筑 科技 大 学 学报 自然 科 学 版 ，2 0 1 l 4 4 5 9 [ 责 任编 辑 牛志 霖]