紫禁城古建木柱抗震穩定構造

2024年2月15日發(作者：化糞池清理)

紫禁城古建木柱抗震穩定構造

周 乾

（本文原載于《工程抗震與加固改造》2020年第3期，此處有刪減）

始建于明永樂十八年（1420）的北京紫禁城（故宮博物院的前身），擁有世界上規模最大、保存最完整的木結構古建筑群。這些古建筑在構造上主要由基礎、柱、梁枋、斗拱、梁架、屋頂、墻體等幾部分組成，其中，柱是主要受力構件，主要起支撐上部構架，并將上部荷載傳遞給基礎的作用。柱的穩定性是古建筑結構整體穩定的根本前提。北京位于地震多發地帶，紫禁城自建成至今近600年，其間遭受過200余次地震的襲擊，但其木柱鮮有損壞的記載，可反映紫禁城古建木柱有著良好的抗震穩定構造。部分學者開展了與我國古建木柱抗震相關的研究，包括柱底平擺浮擱的隔震機制、柱側腳機制、柱與梁的榫卯連接機制等相關研究，但對紫禁城古建筑木構抗震構造的系統化研究，相關成果較少。本研究基于已有成果，從構造角度較全面地探討和歸納紫禁城古建筑木柱的抗震性能，相關成果將可用于我國木構古建筑的保護和維修參考。

1 柱底-平擺浮擱

紫禁城古建筑屬于木結構，這種結構的特點是由木柱和木梁組成核心受力框架，支撐屋頂傳來的重量，墻體僅起維護作用。其中，柱子作為古建大木結構的重要承重構件之一，主要用來垂直承受建筑上部傳來的作用力。從安裝角度講，紫禁城古建筑立柱的柱根并非插入地底下，而是浮放在一塊石頭上，這塊石頭稱為柱頂石，見圖1；柱根的放置方式則稱為平擺浮擱，見圖2。

圖1 柱頂石照片

圖2 柱底與柱頂石

需要說明的是，這種連接方式是有科學依據的，也是紫禁城古代工匠智慧的結晶。首先，木材在封閉的環境中容易糟朽，立柱柱根若

插入地底下，那么很可能因為空氣不流通而產生糟朽。其次，也是最重要原因，是隔離地震的需要。我們知道，地震力作用力是很大的。若柱根插入柱頂石內，在強大的地震力作用下，柱根很容易折斷并造成古建筑破壞。而柱根平擺浮放在柱頂石上后，在發生地震時，其反復在柱頂石表面運動，不僅隔離了地震，而且地震結束后，柱根可基本恢復到初始位置，而不產生任何破壞，具有“四兩撥千斤”的效果。其三，由圖2可知，柱根置于柱頂石上后，柱根外皮與柱頂石外皮有一定距離，這個距離可以保證柱根始終在柱頂石上往復滑動而不掉下來，這也是紫禁城工匠智慧的體現。

2 柱身——側腳、收分

所謂側腳，就是古建筑最外圈的柱子（檐柱）頂部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。宋《營造法式》卷五《大木作制度二·柱》規定：“凡立柱，并令柱首微收向內，柱腳微出向外，謂之側腳。每屋正面，謂柱首東西相向者，隨柱之長，每一尺，即側腳一分；若側面，謂柱首南北相向者，每長一尺，側腳八厘；至角柱，其首相向，各依本法，如長短不定，隨此加減”。這句話規定了每間房屋在正面（長度方向），柱身側腳尺寸為柱高的1/100（柱底往外掰出1/100柱高的尺寸）；在側面（寬度方向），柱身側腳尺寸為柱高的8/1000；在角柱位置，則兩個方向同時按上述尺寸規定側腳。紫禁城古建筑普通立柱的安裝都是柱身垂直立于柱頂石上，而檐柱的安裝則不同，按照側腳做法，形成“八字”狀，見圖3-圖5。

圖3 檐柱側角照片

圖4 側腳示意圖（左：側腳前；右：側腳后）

圖5 水平地震作用下的柱架運動示意圖（左：側腳前；右：側腳后）

側腳做法，不但使整個建筑物顯得更加莊重、沉穩而有力，而且體現了一定力學智慧。圖5為水平地震作用下的木構架運動示意圖，其中左圖表示不考慮側腳構造，右圖表示考慮側腳構造。由圖5不難看出，側腳使得古建筑的柱架體系由直立的平行四邊形（矩形）變成了“八”字形。由于古建筑的柱子與梁是通過榫卯方式連接的，即柱頂做成卯口形式，梁端做成榫頭形式，插入柱頂預留的卯口中。在發生地震、大風等自然災害時，立柱與梁之間的榫卯連接使得彼此之間產生相對晃動。對于未設側腳的“平行四邊形”體系而言，其在水平外力作用下不斷往復搖擺，很容易產生失穩破壞。而這種“平行四邊形”的連接體系，在物理學上可稱為“瞬間失穩體系”。對于設置側腳的“八字形”體系而言，而側腳之后柱與柱的延長線會相交于一點，形成虛“交點”，而整個體系則猶如一個三角形。其在水平外力作用下的晃動受阻，該阻力由側腳的柱身提供。且側腳使得柱頂的卯口與梁端的榫頭擠緊，增強了榫卯節點的受力性能。在物理學上，該“八字形”體系可稱為“三角形穩定體系”。

3 柱頂—榫卯連接

紫禁城古建筑的立柱在頂端與水平構件（梁、枋）的連接，主要通過榫卯形式進行。這里所說的“榫卯”，是指榫頭與卯口。其中，榫頭位于梁端，被加工成凸起部分；卯口位于柱頂，柱頂被剔鑿掉部分木料，形成凹形口，即卯口。位于梁（枋）端的榫頭插入柱頂的卯口中，形成榫卯連接；而榫卯連接的位置，可稱為榫卯節點。紫禁城古建筑的榫卯節點有數十種，如圖6-圖8所示為太和殿柱與額枋連接為其中的一種，稱為燕尾榫節點。

圖6 柱與額枋的燕尾榫卯連接

圖7 燕尾榫安裝前

圖8 燕尾榫安裝后

以燕尾榫為例來說明榫卯節點的抗震智慧。從連接方式來講，燕

尾榫榫頭與卯口的連接屬于半剛接。所謂“半剛接”，即節點不能像鉸球一樣隨意轉動（鉸接），也不像固定的剛架一樣完全無法轉動（剛接），而是介于鉸球和剛架之間的一種連接方式，其特征為可以轉動，但受到一定限制。這種連接特征是非常有利于古建筑抗震的。因為這樣一來，有限的轉動能力有利于減小梁柱構架的晃動幅度。不僅如此，基于能量守恒原理，地震能量傳到古建筑木構架上，部分轉化為木構架的變形能（構架變形），部分為構架的內能（內力破壞），還有部分轉化為構架的動能（榫頭與卯口的相對運動）。也就是說，榫卯節點的運動有利于耗散部分地震能量，減小建筑整體的破壞。

4 柱架—柱高不越間廣

紫禁城古建筑在確定房屋的高度時，檐柱高有著明顯的影響作用。《營造法式》卷五“大木作制度二”規定：“凡用柱之制……下檐柱雖長，不越間之廣”。這句話的意思是，檐柱的高度不得超過構架的進深寬度。檐柱高與構架進深的位置關系見圖9。

圖9 檐柱高與進深關系示意圖

實際上，紫禁城古建筑的高寬比均滿足這種要求，比如太和殿檐

柱高7.39米、進深尺寸33.35米，中和殿檐柱高5.62米、進深尺寸20.89米，保和殿檐柱高6.75米、進深尺寸21.72米。這種限制古建筑高度與寬度尺寸的做法是有利于古建筑穩定性的。與現代建筑不同，古建筑木結構的構造有著眾多的特殊性，尤其表現在柱與柱頂石之間的連接方式，柱底主要通過平擺浮擱的方式立在柱頂石上，也就是說建筑上部結構與下部基礎之間并沒有可靠的拉結作用。發生地震時，如果地震作用導致立柱產生過大幅度的搖晃時，立柱會帶動建筑整體產生傾覆的危險。另一方面，對于古建筑而言，其抵抗地震傾覆的主要方式在于自身重量繞柱底產生的抵抗彎矩。

5 結論

紫禁城古建筑木柱有著良好的穩定構造，主要表現在：

(1) 柱底平擺浮擱在柱頂石上，在地震作用下可產生摩擦滑移隔震效果。

(2) 柱身側腳有利于地震作用下柱子的穩定，柱收分有利于減小上

部豎向荷載的偏心作用，柱生起有利于降低結構整體的重心，減小地震作用下結構的傾覆可能。

(3) 柱頂采取榫卯節點形式與梁端連接，在地震作用下榫頭與卯口的相對運動有利于耗散部分地震能量。

(4) 柱高不超過建筑寬度，有利于柱架在地震作用下產生復位。