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1、中国古建筑的结构与受力性能吴二军 ,王建永(河海大学土木工程学院 ,江苏 南京210098 )摘 要 :中国古代建筑在建筑艺术和技术上取得了卓越的成就 ,但系统探讨建筑结构的研究很少 。通过大量的文献资料 ,对中国古建筑的结构材料及其力学性能 、结构类型 、结构构造以及地基处理 、夯土 、隔震等施工技术问题 ,进行了较为系统的探 讨 ,可以为中国古建筑的保护和现代建筑的设计提供参考 。关键词 :中国古建筑 ;结构材料 ;建筑结构 ;结构构造 ;施工技术中图分类号 : TU31112文章编号 : 1008 - 1933 ( 2010 ) 04 - 078 - 06文献标识码 : B例 、清末营造
2、法原 等 ,只是系统地规定了建筑的形制和具体构造 ,关于结构安全方面的论述 ,如凤毛 麟角 。我国幅员辽阔 ,全国各地遗留下来相当数量的具有保存价值的古建筑 ,为了更好地保护它们 ,进 行古建筑结构的系统研究是十分必要的 。0 引言中国是世界四大文明古国 ,历史源远流长 。中国建筑在数千年人类文明发展史中形成了自己独特 的艺术风格和高超的建筑技术 ,创造了世界建筑史 上一个个奇迹 。许多国内外学者对中国的古建筑进 行了大量的研究 ,得到了许多有价值的研究成果 ,这 对目前我国古建筑的文物保护和现代建筑融合民族传统具有重要意义 。然而 ,由于研究者多为建筑学 专家 ,绝大多数研究成果都集中在建筑
3、艺术 、建筑风 格及其与中国历史文化特点的联系上 ,几乎没有学 者对古建筑结构进行系统的研究 。另一方面 ,尽管 中国古建筑在建筑艺术和建筑技术上都取得了卓越的成就 ,由于我国古代的社会历史原因 ,没有形成系 统的结构设计理论 ,造成中国建筑技术在明清以后 , 逐渐落 后 了 。中 国 古 代 仅 有 的 建 筑 典 籍 , 如 宋 代营造法式 、明代园冶 、清代工 部工 程做 法 则表 1 中国古建筑结构材料应用范围中国古建筑的结构材料11. 1 中国古建筑结构材料的种类和应用范围中国古建筑材料随着社会的发展和技术的进步 逐渐丰富 。其中 ,结构材料的使用主要受两个因素 的影响 :一是便于就
4、地取材 ,利用自然材料 ; 二是建 筑材料生产技术的进步 。因此 ,中国古建筑的结构 材料从取材来源来分 ,可分为两大类 :一类是天然材料 ,包括木材 、竹材 、石材 、夯土 、土坯 、藤索类 ; 第二 类是人工材料 ,包括粘土砖和金属材料 ,其中金属材 料主要是铁 。各类建筑结构材料在我国古建筑中的 应用范围 ,见表 1。应用范围材料类别工程实例建筑物类别构件种类木材竹材石材 夯土土坯藤索 砖金属民居 、寺庙大殿 、宫殿 、塔 、桥 、牌楼民居 、桥梁民居 、殿堂 、桥梁 、塔 、牌坊 民宅 、城墙 、高台民宅桥梁 民居 、寺庙 、桥梁 、塔 、墓穴桥梁 、塔梁 、柱 、檩 、椽 、斗 、桩
5、梁 、柱 、墙体墙基 、柱基 (石镜和磉墩 ) 、墙 、桥墩和桥面墙 、台墙 吊索墙 、屋面 、桥墩 、桥面 、塔身 、拱券吊索 、塔身绝大多数中国古建筑四川安澜桥赵州安济桥 、卢沟桥 、四川石塔寺石塔 吉林洮南古城 、玉门关关城北京护国寺土坯殿 、敦煌土坯塔云南独龙河藤网桥 长城 、灵谷寺无梁殿 、嵩山嵩岳寺塔等卢定桥 、镇江甘露寺铁塔 、山东泰安岱庙铁塔天然材料人工材料各种材料在古建筑主体结构中除单一使用外 ,还多见混合使用 ,形成砖木 、砖石等混合结构 。古代砖石结构中 ,砌筑时的灰浆多采用石灰浆 、黄土泥浆或二者混合使用 。为增加粘结性能 ,有时 在灰浆中掺入糯米汤 、麻刀或牡蛎壳粉等
6、 。1. 2 中国古建筑结构材料的性能1. 2. 1 木材的受力性能 1 中国古建筑修建时 ,多就地取材 ,因此 ,采用的 树木种类繁多 ,其中最常用的有松 、楠 、柏 、杉和毛白收稿日期 : 2009 201 216作者简介 :吴二军 ( 1972 - ) , 男 , 河北顺平人 , 博士 , 副教授 , 研究方向为钢筋混凝土结构 、建筑物的加固改造 。E - m a il: we j hhu. edu. cn2010 No14吴二军 ,等 :中国古建筑的结构与受力性能79杨 。古建筑木结构维护与加固技术规范 编写组进行了云杉 、柏木和落叶松的古建筑木材的性能试表 2 古建筑中木材的性能验
7、,主要力学性能见表 2。日本对古建筑中的木材材性也进行了试验研究 ,结果也列于表 2中 。云杉柏木落叶松日本扁柏日本榉木测试指标 (元 ,距今 600 年 ) (清 ,距今 200 年 ) (辽 ,距今 920 年 ) (距今 350 1300 年 ) (距今 240 650 年 ) 基本密度 / ( g / cm3 )弹性模量 / (N /mm2 )顺压强度 / (N /mm2 )顺拉强度 / (N /mm2 )抗弯强度 / (N /mm2 )冲击韧性 / (N /mm2 )横纹抗压强度 / (N /mm2 ) 抗剪强度 / (N /mm2 ) 抗劈力 / (N /mm )0. 3817.
8、5 ×10329. 90. 588. 8 ×10346. 20. 54811. 746. 865. 298. 40. 0372. 067. 060. 740. 368 0. 4267. 3 11. 942. 4 50. 30. 515 0. 6720. 81 1. 3241. 5 68. 745. 10. 03669. 10. 03871. 2 86. 00. 027 0. 03966. 7 116. 70. 021 0. 0545. 8 8. 21. 2 1. 58. 8 12. 52. 1 3. 2注 :表中空缺数据为未测试指标 。早出现在西周时期 , 汉代 得 到了
9、大规 模 的使 用 4 。经过数千年的发展 ,我国的砖烧制技术和砌筑技术 均达到了很高的水平 。古代砖的种类包括普通粘土砖 、陶砖和琉璃砖 。形状也多种多样 ,有方砖 、条形砖 、楔形砖 、空心砖和 带子母榫 (便于相临两砖连接 )的砖 。此外 ,还有主要用于装饰用的花砖 。按颜色分 ,则有黑城砖 、白城砖 、青砖和红砖 。通过将古建筑中的木材和现在同类木材性能相比 ,尽管经历了数百年 ,其主要强度指标下降不超过30 % 。1. 2. 2 石 材石材性能稳定 、强度高 ,工程应用中几乎没有因 为石材强度不足而造成建筑物的破坏 。古代建筑中常用的石材有汉白玉 、青砂石 、青白石 、紫石 、花斑石
10、 、花岗岩和大理石等 。排除风化因素外 ,石材的力 学性能主要和岩石种类 、产地有关 ,使用时间的影响 相对较小 ,现代石材和古代石材性能基本不变 。目 前我国桥涵中所用的石料标号为 25 号 100 号 ,该 标号是以边长为 20 cm 的含水饱和立方体试件的极 限抗压强度 (M Pa)确定的 2 。1. 2. 3 夯土和土坯 夯土版筑是我国古代土工建筑技术史上的重要成就之一 。材料主要采用红土 、黄土等粘性土 ,采用 木杵 、石杵或铁杵分层夯实 。不同工程每层土夯实后厚度不同 ,一般在 3 21 cm 范围内 ,最常用的在10 cm 左右 3 。夯土多用于筑墙和高台建筑 。 根据夯土建筑采
11、用的夯锤重量和落距 ,采用现行地基处理方法进行估算 ,夯土的材料强度可达到015 N /mm2 以上 。 土坯制造技术早在氏族公社时代就已发明 ,主要种类 有 四 种 : 手 模 坯 、杵 打 坯 、水 制 坯 和 垡 子坯 3 。土坯的尺寸规格大小不一 ,较大的如周朝的 土坯 47 cm ×17 cm ×715 cm ,小尺寸土坯则达到 24 cm ×18 cm ×5 cm。土坯的强度未见有相关试验数 据 ,根据夯打过程估 计杵 打 坯强 度在 1 2 N /mm2 以上 。土坯建筑防雨水冲刷能力差 ,因此 ,土坯墙体外 通常抹白灰泥层加以保护 。为了
12、提高土坯的强度 ,土坯中还采用了加筋 (加入茅草等 )技术 。1. 2. 4 砖 砖是中国建筑史上最重要的建筑材料之一 ,最 3 古代砖的尺寸规格并不统一 ,张驭寰统计了部分宋代塔砖尺寸 ,见表 3。龙庆忠教授文章中介 绍了在开封铁塔中的灰砖和琉璃砖尺寸分别为 : 41 cm ×21 cm ×7 cm , 35 cm ×22 cm ×6 cm; 唐代广州 5 怀圣光塔寺塔砖为 23 cm ×9 cm ×6 cm; 罗哲文录自工程做法则例 中规定的城砖尺寸为 15 寸 × 6 715 寸 ×4 寸 ,约相当于 45
13、cm ×2215 cm ×12 cm。表 3 部分古砖的尺寸塔砖尺寸/ cm塔砖尺寸/ cm塔名塔名曲沃感应寺塔交城离相寺砖塔 文水上贤塔40 ×26 ×835 ×17 ×643 ×22 ×7太原开化寺南塔平定天宁寺西塔 太谷无边寺塔32 ×32 ×532 ×16 ×543 ×24. 5 ×7关于我国古砖强度的研究资料较少 ,开封铁塔2寺中灰塔砖的抗压强度为 212 N /mm ,铁色琉璃砖2 5 的强度为 11212 N /mm。中国古建筑的结构类型和性
14、能22. 1 框架和桁架2. 1. 1 木构架的结构形式中国古建筑中 ,创造性地使用了多种结构形式 ,最具有代表性的是木构架房屋 。 中国古代木构架有抬梁 、穿斗 、井干三种不同的结构方式 6 27 。抬梁 式 是在 立柱 上 架梁 , 梁 上 又 抬梁 ,所以称为“抬梁式 ”。宫殿 、坛庙 、寺院等大型建 筑物中常采用这种结构方式 。穿斗式是用穿枋把一 排排的柱子穿连起来成为排架 ,然后用枋 、檩斗接而成 ,故称作穿 斗式 。多用 于 民居 和较 小 的建 筑物 。© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing Ho
15、use. All rights reserved. 80四川建筑科学研究第 36卷井干式是用木材交叉堆叠而成的 ,因其所围成的空间似井而得名 。这种结构比较原始简单 ,现在除少脱卯 ,使结构产生破坏 。井干式房屋的墙体根据木杆的方向分为横向和 竖向两种 ,屋盖可以认为是密排的木梁组成 。从承 载力角度来说 ,井干式一般具有较大的可靠度 。2. 2 拱 券根据材料的不同 ,我国古建筑中拱券结构分为 砖拱结构 、石拱结构和木拱结构 。2. 2. 1 砖石拱券早在秦汉时期 ,随着我国制砖技术的出现和发 展 ,砖拱建筑结构技术也不断提高 ,最早多应用于墓室建筑 ,最后逐渐拓展应用到门楼 、砖房和砖塔的
16、门 窗 、殿堂屋顶和桥梁 。石拱建筑则多应用于桥梁 ,结构构造和砖拱桥梁类似 。砖石拱券结构的形式主要有以下几类 。( 1 )斜撑板梁拱券 10 券砖顶部中间为上宽下窄的梯形实心砖 ,两边 为斜撑砖 ,构成“ ”形 。拱顶的实心砖和斜撑砖用榫卯连接 。此类拱券结构在南阳汉代早期墓穴结构中被广泛应用 ,但由于墓室宽度受到拱顶宽度的限 制 ,西汉中期以后逐渐淘汰 。现存结构如新野樊集M 16号墓 ,墓壁和墓顶构成了宽 1159 m、高 1149 m的斜撑板梁拱券 。( 2 )砖石纵列拱券 10 此类拱券由楔形条砖 (石 )纵向排列连接 ,构成 单道拱券 ,条砖之间采用子母榫连接 ,多道单拱券组合砌
17、筑 ,形成较大空间的拱券结构 。这种拱券形状大多为半圆形 。( 3 )砖穹顶无梁殿纯以 砖 劵顶 , 又 称为 砖 殿 , 是 从 古 代 砖 墓 、砖塔的劵顶技术发展而来 。这种建筑的建筑材料全部采用砖 、石 、瓦等非燃烧质材料 。它的结构一般都有几排通长的拱券 ,而拱券的侧向推力很大 ,因 此 ,无梁殿拱券下有浑厚的墙体 ,如南京灵谷寺无梁 殿前后檐墙皆厚近 4 m ,结构十分坚固 11 。2. 2. 2 木 拱中国古代的木拱桥从现代桥梁结构看 ,有桁架 拱和木撑拱 。目前所知 ,北方最早的桁架木拱桥是清明上 河 图 中 以 写 实 的 手 法 描 绘 的 卞 水 虹 桥 。卞水虹桥从外观
18、上看近似半圆弧形 ,它的桥体结构 采用梁木穿插的结构形式 ,所以又叫叠梁拱 。整座桥梁构架全由大小匀称的巨大圆木纵横相置 、交叉搭置 、互相承托 、逐节伸展 ,形成完整的木撑架式主 拱骨架 ,拱架两端固定在岩石或石墙上 ,从而以较短的构件 形 成 较 大 的 跨 度 。杜 连 生 先 生 在桥 梁 史 话 中 提 出 了 自 己 的 虹 桥 结 构 模 型 , 如 图 2 所示 12 213 。从图中可以看出 ,其受力形式从整体上为拱的受力方式 ,对于拱木局部以梁为主 。 在闽浙一带多见的木拱廊桥拱体结构与卞水虹数森林地区外 ,已很少使用 。三种结构形式如图所示 。1图 1 木构架的形式2.
19、1. 2 中国古代木构架的受力简图为确定木构架的计算模型 ,必须确定两个问题 :一是构件类型 ;二是构件连接方式 。 在三种木构架结构房屋中 ,抬梁式木构架应用范围最广 。以殿堂建筑为例 ,抬梁式木构架整体结构分为三部分 :台基 、墙柱结构和屋架 。墙体多为维 护用非承重墙 。柱下为石镜 (北方 )或磉墩 (南方 ) , 不考虑水平地震作用时 ,柱根不发生位移 ,简化为铰接 。当在水平地震作用下 ,柱根在石墩表面产生水 平滑移 ,受力分析时看成滑移隔震支座 。上部结构 的结构构件有梁 、柱 、枋 、檩 、椽 、斗拱组成 。构件之间用卯榫连接 ,连接方式为 : 梁支撑于柱端 ,柱顶榫 伸入斗拱或
20、梁端 ,枋两端榫伸入柱端卯口 ,瓜柱上下端分别卯入上下架梁中 ,斗拱则平放在柱顶 ,梁放在 斗拱上 。脊檩放入脊瓜柱顶的凹口内 ,其他檩放于 梁端的凹口内 ,为加以固定 ,多用铁钉连接 。木结构榫卯连接结点既不是刚结点 ,也不是铰结点 ,通常认 为是半刚性结点 8 。受力分析时 ,结点位置处引入 半刚度单元 ,对抗弯刚度进行折减 ,折减系数则建议通过实际测试确定 。文献 9 通过试验证明 , 木结 构榫卯结点具有明显的弹性特征 ,因此本文作者认为 ,受力简图仍取刚结 ,但应对结点的抗弯刚度进行 折减 ,折减系数根据榫卯尺寸与杆件尺寸的比值确 定 。当杆件受到拉力时 ,榫卯结点的连接力完全由榫和
21、卯口间的摩擦力抵抗 , 数值较小 , 可忽略 。因 此 ,主体结构计算简图为木框架结构 。对于屋顶结构 ,檩和瓜柱连接可视为铰结点 ,则屋顶成为桁架结构 。穿斗式柱与横梁的连接较弱 ,简化为铰结点 ,构 架可按木排架结构进行分析 。2. 1. 3 木构架结构的力学性能中国古代木构架房屋一般纵横对称 ,且长宽比 较小 ,高度较低 ,形成了质量刚度都比较均匀 、受力性能良好的空间结构体系 。由于木材具有良好的弹性和变形能力 ,榫卯结 点局部滑移具有耗能能力 ,因此具有良好的抗震性能 。但在多次反复荷载作用下 ,可能造成榫卯结点© 1994-2015 China Academic Jour
22、nal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2010 No14吴二军 ,等 :中国古建筑的结构与受力性能81接起来 ,如图 5 , 6所示 14 。图 2 汴水虹桥结构模型桥非常类似 ,但在构造方面又有很大的改进 ,比如增 加了剪刀撑 、采用榫卯连接取代绑扎连接等构造措 施 ,在结构上更为稳固 ,如图 3所示 。图 5 单跨伸臂木梁桥示意图 6 多跨伸臂木撑风雨桥2. 5 悬 索索桥也就是悬索桥 ,也称吊桥 。许多桥梁专家 认为 ,索桥最早起源于中国 ,目前已查证的我国最早的索桥 ,是秦李冰在四川成都城西南建成的“笮桥 ” (竹索
23、桥 ) 。索桥建造材料除了竹 , 还有藤 、皮绳和 铁链等几种 。桥梁史话 中总结了中国古代建造索桥的方法 。为了将悬索张紧 ,先在桥两岸建屋 ,在 屋内设置铰索设备 ,即系索的立柱和绞索的转柱 ;然后张紧底索和斜索 ;再在底索上横铺木板 ,有的在两 侧还加一至两根悬索作为扶栏 。而且桥建成后 ,会 定期旋紧一次 14 。古代索桥示意如图 7所示 。图 3 廊桥透视木撑拱伸臂桥也就是俗称的八字式撑架桥 ,典 型就是甘肃甘南木撑拱伸臂桥 14 ,如图 4 所示 。图 4 甘肃甘南木撑拱伸臂桥2. 3 实 体中国早期的实体结构有土台 、长城等 ,土台是中 国古代最有代表性的实体结构 。有研究者认为
24、 ,兴起于春秋战国时期的高台建筑是我国最早的高层建筑 15 。在当时 ,为了解决大 体量建筑物的高度和大型建筑中木构架的整体稳定性的问题 ,采用了先堆筑出实心的高台 ,以梯形土台为核心倚台逐层建房的方法 ,木构架紧密依附夯台 墩 ,形成土木混合的结构体系 16 。高台建筑主体为 下部敦实的台墩 ,夯土技术是高台建筑台墩的主要 建造手段 17 。2. 4 悬 挑中国古代的悬挑结构形式较多 ,比如悬空寺 、伸 臂梁桥等 。悬空寺的受力是靠“半插 飞 梁为 基 , 巧借 岩 石 暗托 ”,即将粗大的飞梁的大半 ,插入预先在山崖上凿好的洞内 ,露出洞外的一小半飞梁便是楼阁的基 石 ,整个建筑靠此飞梁传
25、力给岩石 18 。伸臂木梁桥有单跨和多跨两种 。它的建造过程是在桥两岸或桥墩上架长大木料 、象鱼鳞样层层叠 起挑出 ,两端相隔较近时 ,就在两边挑梁上安放木简支梁 ,再铺上横板桥面 ,桥就建成 。跨度大的可能要 一直加到几十层 ,两相邻桥墩上挑出的木料才能连图 7 古代索桥示意2. 6 筒体中国的砖石 (铁 )古塔可认为是筒体构筑物 。 现存古塔从建筑形式上看 ,有楼阁式塔 、密檐式塔 、亭 阁 式 塔 、支 提 式 塔 、金 刚 宝 座 式 塔 和 塔 门 19 等。早在两汉时期就出现了阁楼式塔 ,随着建筑材料及建造技术的发展 ,人们开始用垒砌 、发券 、叠 涩等方法建造砖石结构的塔 ,密檐
26、塔就是由楼阁式 20 的木塔向砖石结构发展时而演变来的。随着造塔经验的丰富和建筑材料的改变 ,塔的 建筑形制也发生 了变 化 。初 期 木塔 多为 四 边形 结构 ,采用砖叠涩后就从四边形发展为正多边形 ,如六 角 、八角形等 。宋后 ,六角 、八角形塔取代了方形塔 。 从结构受力方面考虑 ,改用六边形或八边形的造型后 ,塔壁的跨度减小了 ,且转角平缓 ,受力均匀 ,其抗 19 220 压 、抗震性能都大大地增强。2. 7 基础中国古建筑除最常用的砖石放大角基础形式 外 ,少量建筑物 、桥梁等也采用了木桩基础和木筏基© 1994-2015 China Academic Journal
27、 Electronic Publishing House. All rights reserved. 82四川建筑科学研究第 36卷础形式 。2. 7. 1 桩商周已开始形成 ,并逐渐固定下来 ,到汉代斗 已达到成熟状态 ,唐代各种斗 样式已经定型 ,宋代有了 完备的规制 7 。梁思成先生绘制的我国古建构件序列图 ,清楚地显示了斗拱各构件的结构构造 。坐在柱头上的称 为栌斗 ,其上开十字槽口 ,四角留有 4 个斗耳 ,在栌 斗上部纵横方向安拱 。其中沿横向大梁架方向安放的拱称为华拱 ,主要承受弯矩 ,沿纵向檐桁方向安放的斗称为泥道拱 ,再在拱头 、拱心上施散斗 ,这便是 最简单的四铺作 。如果
28、在华拱上再出一跳 ,即华拱 上施一更长臂华拱 ,泥道拱上用慢拱 ,华拱头上再施 令拱 ,即为五铺作 ,其余类推以致八铺作 。上下构件搭叠不用钉锚 、粘结 ,只是榫卯连接 ,榫卯尺度准确 ,合卯之后十分严密 25 。3. 4 屋 顶北方屋顶多以梁柱式屋架结构体 ,南方的房屋 则用穿斗式屋架为主 。无论哪种屋架式样 ,都是在屋架之顶用檩木顺搭 ,檩条上挂椽子 ,在椽子上钉 25 cm 厚的屋面板 (望板 ) ,板上抹泥 ,厚为 15 35基古代临水建筑基础通常都采用桩基 。作为桩基的木材要求坚韧耐久 ,适用常年在地下水位以下的 地基 ,在南方多选用红松为桩 ,在北方有用柳木为桩的 。北京颐和园的堤
29、岸就是用湿柳木作桩的 ,经几百年仍未朽 。桩的类型有梅花桩 、马牙桩 ,梅花桩多 用在柱础之下 ,马牙桩常用在墙基之下 21 。2. 7. 2 筏基古代建筑也有采用筏木基础的 ,即使用整齐的 排木作基础 。有用方木的 ,也有用圆木的 。这种基 础多用在建筑重量大而下边的“场地土 ”质地又不一致的地段上 ,是为防止出现不均匀沉降而采取的 一种做法 22 。3中国古建筑的结构构造3. 1 木柱与基础的连接早期建筑为了解决整体稳定性的问题 ,柱基础 必须深埋 ,且在下面放置石块 ,作扩大柱础 。随着实践经验的丰富和结构技术的积累 ,上部结构有了良好的稳定性和整体刚度 ,柱根也逐渐从深埋向浅埋 演化
30、,从西汉时期开始 ,柱础大多变为平顶面明础 , 柱只是简单地搁置在露出地面的础石顶平面上 ,并不嵌固 7 。柱础又称柱顶石 (石镜 ) ,其实它包括柱 子底下承受压力的“础 ”和安放在“础 ”与柱子之间 的“踬 ”。柱与柱础的连接方式多为浮摆式平面接触 ,也有将带有管脚榫的木柱插入到柱顶石柱窝中 的连接方式 ,或将柱顶石做成“套顶 ”形式 。柱础式样多种 ,有素复盆 、柢形柱础 、复盆浮雕柱础等 23 。3. 2 侧脚与升起侧脚指对横向柱架外侧柱倾斜放置 ,柱头与中 间柱头平高 ,即 外侧 柱斜 长 大于 内柱 高 , 如图 8 所示 。升起指柱头标高沿纵向轴线由中间向两翼逐级升高 ,整个屋架
31、置于凹面上 ,如图 9所示 。侧脚和生 起的巧妙 限 位 和 控 制 作 用 , 相 当 于 现 代 的 被 动 控制 24 。 26 cm ,泥上再铺瓦 。屋架的坡度在 35 °45 °之间。4中国古建筑技术4. 1 地基处理技术我国古代人 改 良地 基的 方 法 多 样 , 因 地 制 宜 。 主要方法有以下几种 。 2 7 4. 1. 1 换土当建筑规划场地地基存在淤泥或杂填土时 ,民间有采用换土地基的 ,即把软性地层挖去 ,换上砂土 或河砂 。在大面积换填技术中 ,出现了一种撼砂地基方 法 。具体做法是 :一般挖基槽深约 1 m ,宽约 6070 cm ,然后分 2
32、0 30 cm 为一层 ,将中砂填入槽内 ,随后在槽内灌水振撼 ,至砂层密实为止 。当撼至离地面约 2030 cm 处 ,砌砖或块石墙脚 。4. 1. 2 夯实夯土是早期建筑的主要建筑技术 ,各地区均有 地方性的传统做法 。运用夯筑建筑技术加压 ,破坏黄土自然结构所保持的毛细现象 ,形成高密度的夯 土 ,使其达到较高的承载力 ,构成一个木构所需要的较为干燥和坚固的“满堂基础 ”。为增强土体之间 的拉接 ,每隔 10 15 cm 厚粘土层间放置一些绳子 ,夯土压实 。有时 ,为了满足对夯土强度的更高要求 ,也采用分层灌以糯米汁再夯实 。发展至后期 ,出现 了 采 用 生 石 灰 和 粘 土 混
33、合 料 夯 实 的 灰 土 基3. 3 斗拱斗拱指的是一系列木构件的组合 ,斗和拱是这 一系列构件中最基本的两个 ,柱头上一层层逐渐挑出的弓形短木 ,称为“拱 ”,两层拱之间的斗形方木 ,称为“斗 ”。其他构件还有昂 、耍头木 、衬仿头 、罗汉 仿等 。斗拱的产生和发展有着非常悠久的历史 ,自 16 , 21 , 27 228 础。4. 1. 3 打桩我国古代桩基多为木桩 ,个别情况下 ,采用石桩 和竹 。古代桩基提 高软 弱地 基 承载 力的 方 法有 两© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.
34、All rights reserved. 2010 No14吴二军 ,等 :中国古建筑的结构与受力性能83种 :一是木桩横向挤压周围土层 ,使土粒密实 ,增强了地基土的强度 ;二是借助土与桩之间的摩擦力或 桩本身的强度 ,将上部荷载有效地传至下卧基层 ,改 变了软弱地基建筑物的破坏模式 ,使多种破坏方式变成了单一的竖向剪切破坏 21 。4. 1. 4 加筋 古代加筋地基中的拉筋多用抗拉强度较高的木材 ,能有效地控制横向变形的发展 ,相当于现代的钢 筋混凝土梁 。如西安小雁塔地基处理 ,即在台座下的夯土层中埋置纵横相错的木梁 ,整个夯土地基的 承重能力及抵抗变形的能力大为增强 21 。4. 2
35、隔震与减震技术古代建筑通过巧妙的构造实现了较高的抗震能 力 ,从以下几个方面可以看出 ,古建筑技术体现了现 代隔震 、减震思想 。4. 2. 1 地基与台基的隔震构造 通过特殊的地基处理方法 ,在地基中建造一个柔性构造层 ,就能够在一定程度上把建筑物与地震 隔离开来 ,从而控制地震能量向上部结构传递 。比 如 ,明故宫地基 5 6 m 深处用糯米汁拌石灰 ,形成柔性地基层 29 。 如果台基与自然地基刚度差别很大 ,或原本的台基底部水平抗剪切刚度很弱 ,台基可能首先就可起 到 隔 震 的 作 用 , 使 一 些 高 频 震 动 峰 值 被 过 滤掉 7 。4. 2. 2 主体与基础自然断离 柱
36、脚平搁简支是重要的隔震减振措施 。主体与基础自然断离柱根简支在平面明础石面上 ,使水平荷载作用下结构内的总水平剪力不会超过柱底所受 摩擦力的总和 ,这直接限制了结构中可能出现的最 大内力 。当地震水平加速度小于一定值时 ,房屋不会滑动 ,上部结构可能摆动 ,若地震水平加速度大于 这一值时 ,地面水平滑移 ,柱与柱础石镜面间能产生隔震效果 30 。4. 2. 3 柔性抗震的主体结构体系主体结构体系从竖向可分为柱架层 、铺作层和 屋盖 。柱架层具有良好的整体性 ,能十分有效地将 结构自重和地震 作用 传 至基 础 , 对抗 震极 为 有利 。 铺作层是柱架层和屋盖之间的过渡层 ,由斗 、拱 、昂
37、等构成 。斗拱是水平允许层间滑移竖向可发生较大 的弹塑性变形的准弹性支座 ,所以 ,整个铺作层是良 好的减振层 7 , 30 。 3 张 驭 寰. 古 建 筑 勘 察 与 探 究 M . 杭 州 : 江 苏 古 籍 出 版 社 ,1988: 155 2171 , 264.贾付军. 南阳汉代砖结构技术发展简论 J . 南都学坛 (哲学社 会科学版 ) , 2001 , 21 ( 5 ) : 11 212.龙庆忠. 中国建筑与中华民族 M . 广州 : 华南理工大学出版 社 , 1990.罗 哲 文. 中 国 古 代 建 筑 M . 上 海 : 上 海 古 籍 出 版 社 , 2001:315 ,
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