10級強震不倒 故宮古建抗震功夫是如何煉成的
最近，一段“故宮建築模型在強震模擬中巋然不倒”的視頻在微博上火了。這段視頻來自英國電視臺第4頻道製作的紀錄片《紫禁城的秘密》。
故宮博物院研究館員周乾博士是該紀錄片中展示的故宮建築模型抗震試驗的主要設計者。他向科技日報記者介紹道：“這是首次將故宮中某一建築的整體結構模型放置在地震工況下進行測試，結果出乎意料，模型經受住了10.1級地震的考驗”。
根據地震學理論，一般用地震烈度來表示地震對建築物的影響程度。但是該片英國導演認為，對英國觀眾來說，地震烈度的概念比較陌生，而更傾向於接受震級的概念。“因此，在紀錄片中，用震級來代替烈度描述地震作用強度。”周乾表示。
以柔克剛 古建模型強震不倒
在做故宮建築模型抗震測試前，英國攝製組曾經做過一些歐洲古代建築模型的抗震試驗，磚石結構模型都以坍塌告終，中國古建築木結構能扛過強震嗎？測試開始前，參與拍攝該節目的英國專家理查德和周乾打了個賭。理查德認為，故宮建築模型肯定會被震垮。
起初，在體驗3級到4級地震時(地震烈度約為5—6度)，模型只是在試驗臺上輕微晃動。隨著地震烈度的不斷增加，模型晃動的幅度增大，兩側的磚石墻體出現垮塌。加碼到10.1級地震強度時，地震波烈度的峰值已超過歷史地震的最大值，振動臺載入裝置也已達到工作極限。
然而，在如此劇烈的地震作用下，試驗模型仍然保持穩定搖晃，並在震後基本能夠恢復到初始狀態，建築整體屹立不倒，立柱只是發生了輕微的位移，充分體現了中國傳統木構古建在地震作用下“墻倒屋不塌”的特點。
“理查德曾向我描述，他在現場感受到，在強震作用下，有一個巨大的衝擊力撲向模型。模型開始搖晃，但是始終保持穩定狀態。在復位過程中，古建築模型像揉太極球一樣，把地震力往外推了出去。這很像中國太極功夫中的以柔克剛，四兩撥千斤。”周乾說道。
理念先進 強震不倒靠隔震
故宮建築模型表現出的“強震不倒”靠的是什麼？周乾指出，中國是世界上最早將隔震理念應用到建築中的國家，故宮建築的設計建造中充分考慮了抗震的需求，採用了多項隔震技術。
所謂建築隔震，就是在建築基礎部位安放可運動裝置；地震發生時，通過裝置的運動來耗散、吸收部分地震能量，並錯開地震波的頻率，從而減輕地震對建築的損害。
故宮古建築的隔震是如何實現的呢？周乾舉例解釋道，比如建築的柱根並非插入地底下，而是平擺浮擱在柱頂石上。地震作用下，柱根在柱頂石上往復運動，產生摩擦滑移隔震效果。
故宮古建築的梁與柱採用榫卯節點形式連接，梁端做成榫頭形式，插入柱頂預留的卯口中。地震作用下，榫頭與卯口之間反覆開闔轉動，並產生小量拔榫。拔榫即榫頭從卯口拔出，但不是脫榫，榫頭始終搭在卯口位置。這種相對轉動也是摩擦減震、隔震機理的體現。
柱頂之上為鬥拱。鬥拱由坐、拱、翹、升等小尺寸構架由下至上層層疊加而成。地震作用下，這些細小構件之間相互擠壓、錯動，可耗散大量地震能量，並能夠延長建築的晃動週期，產生隔震效果。地震結束後，這些小構件基本能恢復到初始位置，並保持完好。此外，厚重的屋頂猶如一個胖子，在外力作用下晃晃悠悠的往復搖擺，但始終保持穩定不倒，起到了很好的隔震效果。
力求真實 建造體現故宮建築特徵模型
太和殿是紫禁城內體量最大、等級最高的建築物。按英國攝製組最初的設想，他們希望能複製太和殿的模型進行地震測試。
但受試驗條件限制，建築模型將在一個長寬均為3米的震動平臺上接受地震考驗，這意味著要按1：20比例縮小建造太和殿模型。“縮小20倍後，太和殿模型中木柱便只有火柴棍大小，會導致試驗嚴重失真。”周乾指出。
為了找到一個既能體現故宮建築典型構造特徵，又能滿足試驗要求的古建築，周博士和攝製組導演反覆論證研討。最後，他們決定以故宮南三所大門為原型，按照清工部《工程做法則例》相關規定，對其開間尺寸進行適當調整，加工成縮尺比例約為1：2的試驗模型。
周乾介紹，模型建造過程中，瓦作、木作、石作等所有工序嚴格按照清工部《工程做法則例》進行施工。《工程做法則例》是清代官方頒布的建築施工工藝標準。
在試驗模型安裝過程中，工人有一些不符合復原故宮官式木構古建的施工行為，如對鬥拱採用了釘子、柱頂石平面尺寸過小、木材使用了裂紋較大的材料等等。周乾都讓他們逐一進行了拆改，原汁原味地再顯故宮官式木構古建的施工工藝特徵。
“尤其是鬥拱，古代鬥拱構件間採用暗銷及榫卯咬合，不採用釘子。我們希望能最大限度還原眀清官式建築結構特點。”周乾說道。
及時保養 促進古建築益壽延年
據統計，自紫禁城建成以來，故宮古建築經受了大大小小至少222次地震的考驗，其中不乏像1679年北京平谷發生的8.0級地震和1976年唐山發生的7.8級大地震。
在周乾看來，故宮古建築之所以能抵禦非常罕見的地震，有個非常重要的前提是：這些古建築在歷朝歷代得到了很好的維護保養。在古代，皇帝每年都會安排大量經費用於紫禁城建築的修繕，並有專門的部門負責修繕工作。如明代為工部營繕清吏司，清代為內務府營造司。新中國成立後，故宮博物院先後成立古建部、工程管理處、修繕技藝部來對故宮古建築進行定期維護和修繕。
“建築就像人一樣，具有生命屬性，時間長了，難免老化並出現各種病害，如開裂、拔榫、變形、糟朽等。只有及時採取各種有效措施對它們進行維護保養，並採取有效加固措施，才能使它們抵禦包括地震在內的各種自然災害，實現延年益壽。”周乾說道。(圖片由受訪者提供)
[責任編輯：張曉靜]
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