說在開頭的話

2008年5月12日14時28分，四川汶川縣發生8.0級地震。極震區烈度達到10～11度。截至7月15日12時，四川汶川地震已確認69197人遇難，374176人受傷，失蹤18263人。緊急轉移安置1514.684萬人，累計受災人數4554.7565萬人。直接經濟損失高達8451.4億元。

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1679年9月2日(清康熙十八年七月二十八日)，中國河北省北部燕山地震帶發生大地震。震中位於河北省大廠縣夏墊鎮。此震是中國東部人口稠密地區影響廣泛和損失慘重的知名歷史地震之一，也是北京附近歷史上發生的最大地震。震級估計爲8級，震中烈度11度，破壞面積縱長500千米。史料記載如下：“巳時地震，從西北至東南，如小舟遇風浪，人不能起立，城垣房屋存者無多，四面地裂，黑水湧出，月餘方止，所屬境內壓斃人民甚衆“。

在此之前，1484年的居庸關6.5級地震，1665年1月16日的通縣6.75級地震，破壞力度同樣巨大。從1420年紫禁城（明故宮）建成截止到今天的將近600年裏，這座人類歷史上最大規模的木結構建築羣歷經222次大小地震（平均3年一次），卻始終屹立不倒（這裏排除火災或其他因素導致的重修），堪稱中國乃至世界建築史上的一個偉大奇蹟。

參考圖

上個世紀70年代的唐山大地震和2008年的汶川大地震，給中國人留下了難以平復的創傷。大量用現代建築材料和技術（主要指磚土、磚木、磚混、鋼混結構）修建的房屋在轉瞬之間便被大自然的力量夷爲平地，幾十萬寄居在這些建築物裏的生命，眨眼消失。而那座600年前修建的古老建築，在沒有任何現代技術理論的支撐下，只用木材，青磚，條石等幾種簡單建築材料修築的明故宮，卻始終巍然挺立，這或許向我們暗示着這樣一個事實：看似用陳舊的技術、簡單的材料修築起來的明故宮或許並不簡單。

石質白塔被地震摧毀

大地震爲什麼拿紫禁城沒辦法？以故宮太和殿裏的建築黑科技爲例來探討

作爲帝國的核心，紫禁城從修建一開始便傾注了朱棣極大的熱情。這個沒有按照一般套路謀得皇位的帝國統治者，急切尋求一切手段來維持自己的政治權威與合法性。建立一座規模龐大，色彩莊嚴，用料考究的宏偉宮殿，不僅能向全國民衆證明自己的力量與手腕，還能利用建築承包商來聯通權貴們的經濟需求，從而形成穩固的利益團體。無論從哪個角度來看，修建紫禁城的目的已經不那麼單純了，它幾乎已經與整個帝國的命運，大部分權貴的前途牢牢綁在了一起。

參考圖2

不過，古代中國人的迷信觀念似乎一直在提醒着朱棣和他的工程負責人們：象徵帝國最高權力的紫禁城，必須要牢牢矗立在帝國的核心位置上。一場大火，一次地震所導致的建築坍塌損毀，可能都是不吉利的，這會讓全體國民聯想到帝國的命運是否與此次災異有着某種微妙的聯繫，從而對統治者的能力或權威產生質疑。爲此，這座大型木結構建築羣，在設計初始便考慮到了這些細節問題。比如遍佈宮殿各個角落的大水缸、水井與內河，就是爲了在遇到火警時，方便救援人員能及時控制災情。而面對地震這個不可抗因素對紫禁城建築結構的威脅，設計者和建造者們又將會如何去做呢？談藝下面將以太和殿（明永樂稱奉天殿、皇極殿，俗稱金鑾殿）的建築結構爲例，談一談明代的一些建築“黑”科技！

1：故宮的地基是“海綿”做的

這是一個很奇怪的比喻，因爲誰也無法相信，這座長64m，寬37.2m，高26.92m，面闊11間，進深5間，建築面積2381㎡的龐大建築竟然建立在一塊如同“海綿”的基礎之上。在我們的常識中，高樓大廈一定要有一個堅固、深厚的基礎，這樣才足以承載巨大的建築結構壓力。正如我們很難在沼澤地、鬆軟的沙地中尋找到高大的樹木一樣，巨大的建築物同樣無法在鬆軟的基礎上建立起來。然而，故宮的設計者們，卻並沒有按照常識來建造這座神奇的宮殿，他們偏偏要嘗試用另類的方式來挑戰大自然的一般規律。

1977年，有關部門在對故宮進行維護保養時，就曾鑽探勘察了太和殿、中和殿、保和殿的地基。結果發現，宮殿的基礎構建方法十分複雜，除了具備一般建築物地基所需要的夯填工序外，還增加了木樁加固填土層→木筏承臺→糯米汁層→灰土層（低壓縮性持力層）→黃土層→碎磚層→卵石層。在木樁填土層，木樁可以增強填土的夯實度，保證夯填土的密度均勻和整體性。在地震作用下，大量的木樁可以讓整個填土層的下沉力均勻作用到持力層，從而避免局部的塌陷，有效防止上層建築開裂或倒塌。而且木樁本身也是柔性的，在垂直作用力的影響下，自身的形變也可以緩衝一部分壓力。

故宮的臺基剖面

在木樁填土層的下部，是木筏式承臺。即用大量圓木製成一張類似於筏板的轉接層。當地震作用力傳導到木筏承臺時，圓木製式的筏板開始做水平方向的滑移，這種水平方向的滑動可以抵消一部分由地震帶來的垂直方向作用力，增大上部建築結構的運動週期。爲了讓這種水平運動的效果發揮到最大，故宮的設計者們在木筏式承臺的底部，與灰土層相接處還增加了一個糯米汁層，因爲糯米汁的柔性和黏性，不僅可以增加木筏承臺與底部灰土層的粘接力，還大大加強了水平滑移效果。從而在最大可能的程度上抵消了地震帶來的垂直作用力，降低上部建築的受力程度。

我們或許可以這樣想象，把木樁填土層，木筏式承臺當成一塊海綿。當我們用力下壓這塊海綿時，它本身開始在壓力的作用下發生形變。而這種形變是水平方向的，用我們的視覺感知也可以做出這樣的判斷：海綿被壓扁了。實際上，木樁填土層和木筏式承臺正是故宮下面墊的一塊海綿。而那一層糯米汁，更像是在海綿的底部塗了一層粘稠度極高的潤滑油。

需要說明的是，修築地上故宮建築只用了四年的時間，而準備材料，建設地基的相關工程，當局足足花了十年的時間。

2：故宮裏的上百萬個“剎車”：榫卯式阻尼器

榫卯結構是中國古代建築裏的重要施工方式。在距今7000年前的河姆渡遺址裏，那些古老的欄杆式建築就已經開始採用榫卯來加固連接房屋的牆、梁、柱了。而且，這種榫卯結構（企口）還運用到了當時的船板製造上，爲古代人嘗試遠洋航行打下了堅實的基礎。到了1406年（故宮修建之前），這種古老的建築工藝已經被匠人們發揮到了極致，大型木結構建築裏，古代中國的匠人和設計師們很少採用木釘、金屬釘來連接加固結構，他們中大部分人都不信任釘子的作用，認爲榫頭與卯眼的“親密”連接才能帶來更加長久的穩固。當然，事實也是如此。

故宮用榫卯連接的梁

以故宮太和殿爲例，整個宮殿的梁、柱、屋架幾乎都採用了榫卯的方式進行連接加固。太和殿榫卯節點形式有很多種，但歸納起來可分爲燕尾榫和直榫兩種節點形式。燕尾榫又稱大頭榫、銀錠榫，它的形狀是端部寬、根部窄，與之相應的卯口是裏面大、外面小。它常用於拉扯聯繫構件，如檐枋、額枋、金枋、脊枋等水平構件與垂直構件相交部位。燕尾榫的安裝方法通過上起下落進行，安裝後與卯口有良好的拉結性能。直榫形狀特點是榫頭端部和根部一樣寬，主要用於需要拉結，但無法用上起下落方法安裝的部位，如穿插枋兩端、抱頭梁與金柱相交處、由戧與雷公柱相交處、瓜柱與梁背相交處等，一般用拉結方法安裝。

當地震發生時，太和殿主體建築結構中的大量榫卯節點開始產生耗能作用。因爲榫頭和卯眼之間是一種半剛性連接，當有作用力施加於建築結構時，榫頭和卯眼之間就會轉動，從而產生摩擦滑移的能耗來抵消地震的作用力。而且，榫卯木結構本身是可以受外力作用而產生較大形變的，在地震的反覆荷載作用之下，木結構的榫卯節點就像一個個靈活的關節，讓建築順着作用力而調整自身的結構，用“武林高手”的話來說，這叫“以柔克剛”。

榫卯的受力分析

我們觀察一輛經常騎行的自行車時，往往會發現它前後輪橡膠材質的剎車墊都已變形磨損，這是因爲：剎車墊在阻滯高速運動的車輪時，會被車輪和自身產生的滑移摩擦力擠壓變形。而榫卯節點中榫頭和卯眼的關係，如同剎車墊和車輪的關係。大量的“剎車墊”所產生的阻尼作用，大大降低了地震對建築的影響。

3：用彈簧托起的屋頂，太和殿的溜金斗拱

斗拱的建築營造方法同樣有着十分悠久的歷史，在春秋時期或者更早，古代中國人就已經開始設計並應用斗拱來提高建築物的耐久性和穩定性。這裏，談藝有必要先簡略地介紹一下斗拱的設計思路和應用方法，以便於更好地理解故宮溜金斗拱的作用。一個基於事實的陳述大概如下：大部分建築的主體是由牆體、樑架、受力柱、和屋面組成的。它們各自的作用均有所不同，但又脣齒相依，互爲關聯。其中，屋面的主要作用就是防止雨水，日照，風蝕等自然因素對建築物內部產生破壞，當然，最終的目的還是讓人在室內居住得更加舒適。

但還有一個事實是這樣的：屋面必須要架立在牆體、立柱、和樑架上。也就是說，屋面的覆蓋範圍始終要受限於牆樑柱的最終邊界。那麼，裸露在外側的牆樑柱必然會遭受自然環境的直接影響，加速其老化的進程。爲此，增加屋檐的挑出長度，擴大屋面的覆蓋範圍就顯得十分必要了，只有這樣，屋面才能保護裸露在外側的建築主體，延長整個建築物的使用壽命。斗拱也因此被古代中國人發明創造了出來。爲了更好理解斗拱的作用，談藝特地繪製了一張圖來方便讀者更好地加以理解。

極大增加了外檐挑出寬度和穩定性

到了明清時期，斗拱的形制已經發生了巨大的改變。唐代典型的大屋檐設計已不再是主流，斗拱當然也不能只是爲了增加挑檐的寬度而存在了。在故宮太和殿裏的溜金斗拱，層層疊加在樑柱之上，斗拱本身由下而上逐漸加大，當與屋面接觸時，斗拱的面積已經擴大了幾十倍。我們可以做這樣一個聯想：把斗拱的底部比作一個人的拳頭，把斗拱上部比作一個人的手掌，手掌和拳頭比較起來，自然是手掌更能增加屋面的穩定性及保持下部受力結構的整體性了。故宮力的溜金斗拱最爲重要的一個作用是，它依靠這些層層疊加的木構件（猶如一塊塊彈簧片），把地震能量在木構件自身的形變和摩擦中消耗掉了。

斗拱的受力分析

4：會跑的柱子，太和殿的金絲楠木“大柱哥”

由於篇幅所限，而且說句實在話，太過理論性的介紹確實不遭人待見。所以，談藝就用另外一種方式跟大家介紹一下太和殿的柱子吧。太和殿的柱子大部分都是以金絲楠木作爲主材的，這種木料特別貴，它們成材需要上千年的時間（大器晚成？）。而且從砍伐、運輸到加工所需要耗費的人力物力也忒巨大。所以呢，財大氣粗的永樂帝當時就拍板了，咱只選貴的，不選好的（開個玩笑）。當然，貴有貴的道理，誰讓人家即硬氣，又有韌性，而且還自帶防腐防開裂，外表奢華氣味芬芳等諸多附加屬性呢？

故宮浮擱柱與一般深埋柱的受力對比

更加奇葩的是，太和殿的柱子是可以移動的（柱底浮擱在柱墩上），而且也不是垂直豎立在地面上（柱頭與柱身偏移4.5度）。當地震來臨時，這些可移動的柱子會隨着整個建築結構來回滑移，一方面可以避免自己被擺動的勢能折斷，同時，也可以利用與地面的摩擦來抵消一部分地震勢能。而與地面呈一定角度豎立的柱子在滑移過程中會自行調整底部的位置，避免在地震後過多偏離原來的柱墩。嗯~~太複雜的作用力計算公式咱在這就省略了吧。

說在結尾的話

總結一下太和殿包括故宮之所以抗震的原因，大致如下：（1) 結構佈局合理。( 2) 基礎黏土材料有利於上部結構減震; 基礎處理技術及高臺有利於緩衝地震波傳向上部結構。( 3) 柱底平擺浮擱可產生滑移減震效果; 柱身側角可提高結構整體穩定性。( 4) 榫卯節點及斗栱各構件間的摩擦和擠壓可耗散部分地震能量。( 5) 樑架低矮，可滿足地震作用下的抗滑移及傾覆要求。( 6) 屋頂厚重，整體性強，有利於提高太和殿結構的穩定性。( 7) 牆體寬厚，可抑制地震作用造成的木構架過大側向變形。

本文着重向讀者介紹了（2）（3）（4）這三點4種抗震機制的相關原理和分析，實際上，中國古代的建築理論水平是十分先進的，某些營造技法，直到今天仍然被廣泛應用在建築的各個領域。對於部分國人評價古代中國沒有所謂的科學，我想引用當代著名現代主義理性建築大師馬里奧博塔的話來說：你們（中國建築師）沒有必要生搬西方的東西，只要把故宮研究透就夠了。你看，故宮只有兩三種色彩、兩三種建築材料，用這麼簡單的東西卻營造出如此震撼人心的建築環境！

因本人水平有限，文章中不足之處在所難免，切盼專家老師予以指正，此致敬禮！

參考文獻

周乾、閆維明、紀金豹《故宮太和殿抗震構造研究》

周乾、 楊娜、 閆維明、淳慶《故宮太和殿一層斗拱水平抗震性能試驗》

崔瑾《太和殿斗栱構造淺析》

蔣博光《中和殿室內及三殿地質勘探實錄》

王天《古代大木作靜力初探》