土耳其靠近叙利亚边境地区最近发生的地震造成了大量人员伤亡及建筑破坏,位于震中附近的加济安泰普城堡,具有近两千年历史,在地震中严重受损。反观自明永乐十八年(1420年)建成至今的600余年里,故宫遭受地震至少222次,鲜有建筑因地震遭受严重破坏的记载。故宫建筑不仅结构形式有利于抗震,而且包含了丰富的防震做法,体现了我国古代工匠卓越的建筑智慧。
木结构可使“墙倒屋不塌”
此次土耳其在地震中受到破坏的部分文化遗产建筑,结构形式均属于砌体结构。其主要特点是:以砖石为核心承重材料,即采用砖石墙来承担屋顶重量,并将屋顶重量通过墙体传至地基。尽管砖石本身的硬度、抗压强度远大于木材,但是由于砖石块体之间采用砂浆连接,砂浆抗拉、压、剪强度差,因而抗震性能很差。地震作用多以水平向为主(竖向地震影响一般不大,除非高层大跨结构,或特殊的场地条件,或高烈度地震作用等),那么在水平地震作用下,砂浆很容易松散,导致砖石墙体松动、开裂,诱发建筑倒塌。
砌体结构传力方式示意图
而以故宫建筑为代表的中国古建筑的结构形式以木结构为主。这种结构的主要特点是:木梁、木柱为建筑核心承重材料,斗拱、梁枋支撑上部屋顶传来的重量,并向下传给柱;柱再把屋顶重量向下传至地基;墙体单独砌筑,不承担屋顶重量,仅起保温隔热作用。由于木材具有良好的弹性,且地基、立柱、榫卯、斗拱等构造做法,均有利于防震,因而建筑整体具有优秀的抗震性能。“墙倒屋不塌”是对故宫建筑抗震性能较为客观的评价。
木结构传力方式示意图
地基密实糯米“隔震”
故宫古建筑的地基为“一块玉”做法。这种地基的特征为:原有土层被全部被挖去,重新使用人工回填土。人工回填土一层三七灰土(生石灰粉:黄土=3:7,质量比)、一层碎砖,由下至上反复交替。
为什么地基不是全部做灰土分层,而非得要一层灰土、一层碎砖交替使用呢?地基做的均匀平实,一旦遇到地震作用,可以有效避免建筑物不均匀下沉。灰土材料一般比较松软,其柔性强就意味着硬度低。当上部建筑的重量较大、地震力较强时,尽管建筑会均匀下沉,但下沉量会过大。相比而言,碎砖的硬度远大于灰土,其大部分属于烧窑或砌墙用的残余料。过筛子后碎砖尺寸相近,和灰土层交替使用,做成“一层灰土一层碎砖”的形式,不仅有效使用了建筑材料,而且减小了古建筑的沉降量。