中国古建筑的防灾设计智慧Word文档格式.docx
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防灾设计
《龙庆忠文集》于2010年12月由中国建筑工业出版社出版,笔者有幸较早拜读。
龙庆忠老先生(下称“龙老”)生前公开发表过的文章,目前能找到的20余篇,皆收录在《龙庆忠文集》“卷二学术成就与特色”中,其中专述古建筑防灾技术的仅一篇,即1963年《建筑学报》上发表的《中国古代建筑的避雷措施及雷电学说》一文。
但龙老的其他各类论文,也有不少提及中国古建筑在预防天灾方面的智慧,本文将其摘取小结如下。
小结1古建筑防风灾的办法
中国古建筑的屋顶,因在纵深方向有“举折”、“举架”,面阔方向有“生起”,故屋顶瓦面往往形成双曲面,可减缓风造成的横向荷载。
在《中国建筑在结构上的伟大成就》一文中,龙老以生动的比喻解释了这一现象:
“屋面结构好比今天的流线型汽车、火车一样,能把大风得来的大横力变为屋面的上的压力。
由于屋面呈曲线型,这样会将风力变小而减少推力了。
”即双曲屋面可使风的横推力转变为屋面正压力。
风力对于多高层建筑体型设计来说是一个重要的考量因素,中国古代建筑的多高层建筑有塔、楼阁等,这些建筑物对风的抵御多有考虑。
其中一个办法,就是降低顶层高度,防止塔尖失稳坍塌。
龙老在《中国塔之数理设计手法及建筑理论》一文中,把苏州云岩寺虎丘塔和广州六榕寺花塔的顶层体型作了对比,虎丘塔顶层层高与顶层边宽长度(这两个塔平面皆是正多边形)之比为2.5,较为高耸,远大于花塔的1.1,龙老认为:
“花塔与虎丘塔的顶层不同:
虎丘塔提得很高便于眺望,而花塔反而减少,这是前面例子中少见的。
这恐怕是由于台风关系,不能提高而应减少。
”
中国古塔的平面形状对整塔的抗风力性能有较大的影响。
对于这一点,华南理工大学郑力鹏教授有更进一步的研究:
虽然圆形平面的塔具有最好的防风性能,但正八边形平面的塔,既能较有效率地抵抗风载,又能较好地符合中国古建筑的方位观、宇宙观,因此八角形平面是中国古塔中最为常见的形式。
小结2古建筑抵御地震及提高结构稳定性的办法
“柔构”的特点使不少中国古代木构建筑抵抗了多次地震灾害。
中国古建筑以木构为主,在官式大木建筑中,梁柱间多以斗拱交接;
柱网与屋顶之间,往往用斗拱“编织”出一层铺作层作为过渡。
龙老认为,木材的柔韧性和铺作层的弹性都能对抵抗地震产生帮助。
在《中国建筑在结构上的伟大成就》一文中,龙老写到:
“发现它(指中国古代木构建筑——笔者注)里面的一种„柔构‟技能。
……大概是由于各支柱的水平摇动来回时间的关系,可以减轻由地层的„震
度‟;
另外斗栱上下动的关系,可以吸收一部分的能量;
再则是栱的截面性质,有柔挠性,可以吸收能量,也即有弹性的效果,通过这样有复杂性能的斗栱层的垂直震动,依次再传到上盖不偏平衡体系中,所以不至倾倒。
中国古代木构建筑的整体结构刚度较强,使其不易失稳,以抵抗地震和风灾。
在《中国建筑在结构上的伟大成就》一文中,龙老生动地把木构架的受力平衡比喻成“秤”的平衡。
以笔者的理解,其实文中的“秤”的本体是几种不同的受力平衡模式。
其一是各处运用杠杆平衡原理的部位。
如挑檐、挑梁的平衡:
挑檐外端檐顶的重量为“秤勾”上的重物,内檐梁架对昂尾的固定作用为“秤砣”。
其二是木构件重量分布均匀使整个木构架的重心居中,加强结构稳定性。
龙老引《世说新语》:
“凌去台,楼观精巧,先称平众木轻重,然后造构,无锱铢相负。
台虽高
峻,常随风动摇,而终无倾倒之理,明帝惧其危,别以大木扶之,即颓坏。
论者谓轻重力偏故也。
”旨在强调木构建筑重心居中的抗震作用;
其三,龙老把屋顶比作“天枰”,称作“上盖平衡原则”,即平梁两端受荷必须平衡。
具体的做法是,通过“转换性构件”(如善化寺大雄宝殿的剳牵、隆兴寺转轮藏殿的人字形屋架),从平梁两端往下传递重量,这些荷载只要能分配到相应的柱子中,屋顶就容易平衡。
龙老还在上文中总结中国古代木构建筑的设计法则,体现在“有衡有权”、“以构应变”、
“以柔克刚”、“以刚济柔”四个方面。
这四个方面正体现了中国古建筑防震的思想。
“有衡有权”又体现为建筑物重心须居中,不偏倚。
“以构应变”又体现为梁架局部上的构件调整使“天枰”能平衡。
“以柔克刚”又体现为木材、斗拱的“柔构”机能。
“以刚济柔”又体现为木构架设计时注重加强结构刚度,以应对千变万化的地震冲击波。
小结3古建筑防雷电的办法
中国古建筑多由木造,如遇雷火,极易焚毁。
历史上木建筑毁于雷火的例子不胜枚举。
要知道如何防雷电,必先知道什么最吸引雷电。
首先,从建筑材料上看,湿木容易导电,
因此,在雷雨天里的木构建筑,很容易成为导电体;
其次,高处端尖的建筑构件容易吸引雷电,如古建筑的正脊、正吻(鸱尾),遭电击后,容易通过正脊下的立柱传导到下部的木屋架上,因此这根立柱自古得名“雷公柱”。
龙老总结道:
“在明清的建筑中有三种雷公柱:
一种是亭阁室顶下的雷公柱;
一种是牌坊上高架柱处的雷公柱;
一种是殿堂等的正吻下的雷公柱。
因此,根据上述构件容易接引雷电的特点,古人根据雷电事故总结了经验,创造出几种建筑防雷电的办法。
一种是不用木头而用石材进行建筑,唤作避雷室。
据孟奥《北征记》:
“凌云台南角一百步,有白石室,名避雷室。
”这种避雷室应是用大理石砌筑的石造建筑,有防火、绝缘的作用。
一种是在屋顶使用“推山”和“收山”做法。
这两种做法都是古代木构常见的,它们使屋顶产生的视觉效果虽然不同,但有一共同点——使正吻与屋顶的三角屋架隔出一段距离。
这样就使雷电较便捷地通过角梁角柱传导到地面,而不传导到室内的明、次间(即室内的主要空间)。
这一效果与今日之避雷针已有相似之处。
中国古建筑屋顶上常见的一些金属装饰物(塔刹、脊刹、火珠等)也能起一定的防雷作用。
以塔为例,一方面,高耸塔刹和四周连接檐角的锁链——它的作用既是为了扶持刹柱使其不致受到摇动而折断,但或可能将雷电散到了檐角上去;
另一方面,这些金属构件的尺寸往往与建筑规模有关,类似于今日的避雷针高度与保护范围之间的关系。
如塔刹的高度和塔下层平面周长有关。
以鸱尾为例,据宋《营造法式》卷十三的“用鸱尾”之制,鸱尾的高度是受建筑的开间、高度、进深所决定的,而且鸱尾本身高度到了一定数值(三尺以上),构造做法也有不同(安装抢铁),其防雷效果也随之调整。
结语
龙老在《中国塔之数理设计手法及建筑理论》一文中写到:
“天道有变时,地道亦有变时。
天地骤变,人为之变,于是有建筑防灾。
天地渐变,人亦为之变,于是有建筑修缮、保管。
天道、地道、人道、建筑道因此处于既矛盾又谐调之统一体中。
”这段话为今日工程建设
的启发作用是:
自然灾害无可避免,建筑防灾从来就是伴随建筑活动而生的,对建筑防灾办法的探索将永远伴随着人类的社会的发展。
参考文献
[1]文集编委会.龙庆忠文集.中国建筑工业出版社,2010,12.
[2]郑力鹏.古代建筑防风术之借鉴.华南理工大学学报,1997,1.
[3]郑力鹏.中国古塔平面演变的数理分析与启示.华中建筑,1991,2.
[4]邹其昌.点校.[宋]李诫.营造法式.人民出版社.