自古以来,我国就是一个多地震的国家,是世界上地震活动频发程度、灾害程度最严重的国家之一。在与地震灾害抗争的过程中,我国古代的匠师们是如何应对这些突如其来的自然灾害的,从祖先给我们留下的大量建筑物质遗产中不难找到答案。
北魏郦道元所着《水经注》中,有一段关于晋祠的记述: “沼西际山枕水有唐叔虞祠,水侧有凉堂,结飞梁于水上,左右杂树交荫,希见曦景。”由此可见,早在 1500 多年以前,这里的祠、堂、飞梁等建筑,已蔚成大观,以后又经过历代不断的兴建与开拓。现今以圣母殿为中心的晋祠规模,形成于北宋天圣年间,后又经金、元、明、清历代经营擘划,以历史悠久、风景优美、布局紧凑、规模宏大而闻名全国。
在这近 10 万 m2的土地上,上起北宋年间,下至民国时期,百余座的殿、堂、楼、阁、亭、台、桥、榭或依山或傍水地掩映在参天古木中。千百年来,这些建筑历经风霜雪雨和地震劫难等自然灾害,保存至今,甚为珍贵。主殿圣母殿是祠内最古老的建筑,也是宋代殿宇建筑中的代表作。它前临鱼沼飞梁,后拥悬翁主峰,壮丽而雄伟,在全祠布局中首屈一指。我国宋代建筑形成于北宋中叶,现存宋代建筑中,时间较早、保存较完整的便是圣母殿。它是我国建筑艺术从唐代过渡至宋代的一个重要环节,也是研究我国古代建筑发展史和建筑艺术的重要的实物资料。圣母殿建成以后,屡经地震的考验。宋景佑四年十二月初二( 公元 1038 年 1 月9 日) ,地震一次,约 7. 3 级,烈度约 10 度:宋建中靖国元年十二月辛亥( 公元1102 年1 月15 日) ,又震一次,6. 3 级,烈度约8 度。其中景佑四年震级较大,破坏较甚,圣母殿受到冲击,元明以来,太原地区亦屡次发生强烈地震,宋徽宗崇宁元年( 1102 年) 曾对圣母殿加以重修。以后,历代王朝都曾对圣母殿进行过维修。现在屋顶的琉璃脊筒、简瓦、滴水和蹲兽等,除有少部分为宋代原件,其余大部分为明代的物件。然而圣母殿整个梁枋结构却是宋代原物。可以说,这座始建于宋天圣年间,经历过太原历史上 6 次 5. 5 级以上地震的建筑,是古代建筑史上的一个奇迹。这一奇迹是由于我国古代聪明的建筑匠师们,将力学原理熟练地运用到了建筑物的技艺上,使得这座近千年的建筑物成为坚不可摧的整体。
圣母殿四周共有 26 根廊柱,这些柱子皆向内倾斜,形成一定的侧脚,从而增加了建筑结构的稳定性。四角角柱显着增高,而上檐柱尤甚,大殿前沿呈现出优美的弧度。在建筑史上,这种做法称之为“柱侧脚”和“柱升起”,其从外观上不仅给人以腾飞、飘逸的艺术美感,而且更主要的是降低了建筑物的重心,并使整体建筑的重心向内倾斜,这样一来,就增强了框架的刚性,而且可以对抗水平荷载,这种做法对于整个结构的稳定性是很有帮助的,使得建筑物更加坚实和稳固。圣母殿建成后经过数次大地震,虽有影响但主体无恙,与这种做法不无关系。特别令人惊讶的是,近年大翻修时,发现 48 个柱础下并没有进行特别处理,整个大殿几乎就是活放在悬翁山的半山腰,千年不变。这种高超的智慧和它的力学原理,以及防震抗震能力,实在值得现代建筑师们认真研究、探讨和借鉴。
圣母殿上的斗拱,其调配与形制复杂多变,昂形规则不一。斗拱是我国古建筑所独具的特征,它的出现是由于工程上的需要,最初用以支撑梁枋,承托屋檐。以后逐渐应用到构架的各个节点上,成为整座大型建筑物结构不可缺少的组成部分。它不仅美化建筑,而且可以减少立柱和横梁之间的“切力”。它们就像一组一组的大弹簧安装在梁枋立柱等重要部件的节点上,当地震发生时,众多巨大的弹簧在相互联结作用下,就像汽车减震器一样起到变形消能的作用,“以柔克刚”地消减掉地震释放出的一部分能量,从而发挥了它的抗震功能。通过这种巧妙的措施,以最小的代价,将强大的地震破坏力减少到最小程度,起到事半功倍的效果。
另外,圣母殿的屋顶为重檐歇山顶,其复杂的结构和大量的构件,大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性,庞大的屋顶以其自重压在柱网上,也提高了构架的稳定性。
同属于晋祠三大国宝建筑之一的献殿,是供奉圣母邑姜的享堂,创建于金大定八年( 公元 1168 年) ,中经明万历二十二年( 公元 1594 年) 修葺,1955 年又用原料照原式翻修,基本上还保持着宋代建筑的风格。“其梁架,只是在简单的四椽栿上放一层平梁,梁身简单轻巧,不弱不费,故能经久不坏,殿之四周均无墙壁,前后明间辟门,其余各间,在坚厚的槛墙之上安直棂栅栏”,其柱子“升起”“侧脚”明显,增强了框架整体的刚性,整个建筑显得宽敞明亮。其在结构上采取以柱子承重的木构架形式,而不是以墙承重,这是中国古代建筑同世界其他各系古代建筑主要以砖石墙为承重体系的重大区别之一,同时在抗震上也十分有利。献殿全部结构不用一根钉子,皆为卯榫而成,站在殿内仰望殿顶,木条上下左右穿插,令人眼花缭乱。这种不用钉子的构件连接方式,甚至超越了当代建筑框架、刚架结构体。其生气灵活的神韵以及比例协调的艺术性,无不令观赏者赏心悦目。卯榫结构是卯和榫的结合,卯是指在木构件上挖的洞眼,榫是指在木构件上留下的准备插入卯的端头,它是木件之间多与少、高与低、长与短的巧妙组合,这种组合可有效地限制木件之间向各个方向的扭动。木制榫卯技法的诞生最早起源于上古时期,通过中国历代大木构建筑系统的不断实践而逐渐走向成熟,并且得到创新和发展。这种结构类似于人的关节,两根梁或柱上分别有榫头和卯眼,互相咬合,连接在一起。卯榫的制作严密而不固定死,具有很高的柔韧度,其不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的变形,在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量,减小了结构的地震响应。当地震来的时候,无论是朝哪个方向摇晃,这种卯榫联结都能承受这种形变。加以木材本身的弹性,留有活动余地,即使由于地震的冲击导致建筑物的位置变形,震后经过一定时间的推移,也会逐渐地恢复原状。
晋祠的建筑多为木质结构,传统的木结构,具有框架结构的种种优越性,如“墙倒屋不塌”的功效。木材本身是一种自重轻、力学性能好的刚柔相宜的材料,木材的重量仅为混凝土重量的 1/4 ~1 /5,相同体积的建筑物,结构自重越小,受到的外力冲击的作用也越小。而其柔性的连接,使得木结构建筑具有良好的弹塑性能和一定程度的自我恢复能力,对于瞬间冲击荷载和周期性的冲击破坏有很强的抵抗能力,其结构本身就能消减掉地震中的大量能量,从而减小了结构的地震响应。晋祠圣母殿在数次地震中均不同程度地受损,但主体结构仍未倒塌,就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。
合理的几何形平面和简单的体型,也是古代建筑工匠们用以提高建筑物抗震功能的一种巧妙做法。现存的古代建筑物,平面和体型大多是简单的、规则的和对称的,在单座建筑中,绝大多数的殿、堂、楼、阁是并不太狭隘的矩形、正方形、正六角形或正八角形,也有少数圆形的。在规整的建筑物的平面外廊中,也很注意均匀对称。此种做法,使结构各部位、各节点受力相对均衡,地震时各部分的震动易于协调一致,不易产生局部应力集中而造成破坏。
晋祠圣母殿面阔七间,进深六间,平面几乎呈方形,并且“副阶周匝”,即在殿身四周围廊,这种抗震手法在晋祠圣母殿中得到了典型应用。
古代的高层建筑物又是怎样抗震的,我们以晋祠的舍利生生塔为例来看一下。晋祠的舍利生生塔创建于隋代开皇年间,宋代重修,清乾隆十六年( 公元 1751 年) 重建,是一座平面八角七级琉璃楼阁式砖塔,这种造型的塔体本身就已具备了框架结构的性能。
它在建筑结构上采用了我国传统的仿木结构做法,并由地宫、塔基、塔身和塔刹组成。塔基是一个高 1 m 的八角形砖砌基台,塔身为八角形,塔刹为宝瓶式,全塔高约 38 m。塔的每一层都采用仿木结构砖砌斗拱铺作。其内部结构为空筒型,梯级在塔内旋绕而上,不仅开阔了中心空间的利用面积,同时大大增强了地震所造成的折弯剪力度。塔每层收分,向内缩小,形成下大上小的结构形状,保证了地震作用下建筑的整体稳定性,实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。其塔内阶梯,除第二层为 26 级,与第一层相比减少两级外,其余皆递减一级,各层阶数分别为 28 级,26 级,25 级,24 级,23 级,22 级。这样处理使得塔的重心下降,非常的科学,既可抗风,又能抗震。
综上所述,可见我国古代的能工巧匠们在长期的劳动实践中,积累了丰富的抗震经验,将力学原理娴熟地运用到建筑工程的施工上,大到建筑群体的布局处理,小到构件断面的尺寸设计,处处展示出其在抗震设计方面的智慧和匠心,从而创造出一个个巧夺天工的惊人之作。这些作品不仅令我们感到惊奇,更令我们无比自豪。
参考文献:
[1] 梁思成. 中国建筑史[M]. 天津: 百花文艺出版社,1998.
[2] 刘永徳. 晋祠风光[M]. 太原: 山西人民出版社,1957.
[3] 刘大鹏. 晋祠志[M]. 太原: 山西人民出版社,1985.
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