紫禁城古建木柱抗震稳定构造

周  乾

（本文原载于《工程抗震与加固改造》2020年第3期，此处有删减）

始建于明永乐十八年（1420）的北京紫禁城（故宫博物院的前身），拥有世界上规模最大、保存最完整的木结构古建筑群。这些古建筑在构造上主要由基础、柱、梁枋、斗拱、梁架、屋顶、墙体等几部分组成，其中，柱是主要受力构件，主要起支撑上部构架，并将上部荷载传递给基础的作用。柱的稳定性是古建筑结构整体稳定的根本前提。北京位于地震多发地带，紫禁城自建成至今近600年，其间遭受过200余次地震的袭击，但其木柱鲜有损坏的记载，可反映紫禁城古建木柱有着良好的抗震稳定构造。部分学者开展了与我国古建木柱抗震相关的研究，包括柱底平摆浮搁的隔震机制、柱侧脚机制、柱与梁的榫卯连接机制等相关研究，但对紫禁城古建筑木构抗震构造的系统化研究，相关成果较少。本研究基于已有成果，从构造角度较全面地探讨和归纳紫禁城古建筑木柱的抗震性能，相关成果将可用于我国木构古建筑的保护和维修参考。

1  柱底-平摆浮搁

紫禁城古建筑属于木结构，这种结构的特点是由木柱和木梁组成核心受力框架，支撑屋顶传来的重量，墙体仅起维护作用。其中，柱子作为古建大木结构的重要承重构件之一，主要用来垂直承受建筑上部传来的作用力。从安装角度讲，紫禁城古建筑立柱的柱根并非插入地底下，而是浮放在一块石头上，这块石头称为柱顶石，见图1；柱根的放置方式则称为平摆浮搁，见图2。

图1  柱顶石照片

图2  柱底与柱顶石

需要说明的是，这种连接方式是有科学依据的，也是紫禁城古代工匠智慧的结晶。首先，木材在封闭的环境中容易糟朽，立柱柱根若插入地底下，那么很可能因为空气不流通而产生糟朽。其次，也是最重要原因，是隔离地震的需要。我们知道，地震力作用力是很大的。若柱根插入柱顶石内，在强大的地震力作用下，柱根很容易折断并造成古建筑破坏。而柱根平摆浮放在柱顶石上后，在发生地震时，其反复在柱顶石表面运动，不仅隔离了地震，而且地震结束后，柱根可基本恢复到初始位置，而不产生任何破坏，具有“四两拨千斤”的效果。其三，由图2可知，柱根置于柱顶石上后，柱根外皮与柱顶石外皮有一定距离，这个距离可以保证柱根始终在柱顶石上往复滑动而不掉下来，这也是紫禁城工匠智慧的体现。

2  柱身——侧脚、收分

所谓侧脚，就是古建筑最外圈的柱子（檐柱）顶部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。宋《营造法式》卷五《大木作制度二·柱》规定：“凡立柱，并令柱首微收向内，柱脚微出向外，谓之侧脚。每屋正面，谓柱首东西相向者，随柱之长，每一尺，即侧脚一分；若侧面，谓柱首南北相向者，每长一尺，侧脚八厘；至角柱，其首相向，各依本法，如长短不定，随此加减”。这句话规定了每间房屋在正面（长度方向），柱身侧脚尺寸为柱高的1/100（柱底往外掰出1/100柱高的尺寸）；在侧面（宽度方向），柱身侧脚尺寸为柱高的8/1000；在角柱位置，则两个方向同时按上述尺寸规定侧脚。紫禁城古建筑普通立柱的安装都是柱身垂直立于柱顶石上，而檐柱的安装则不同，按照侧脚做法，形成“八字”状，见图3-图5。

图3  檐柱侧角照片

图4  侧脚示意图（左：侧脚前；右：侧脚后）

图5  水平地震作用下的柱架运动示意图（左：侧脚前；右：侧脚后）

侧脚做法，不但使整个建筑物显得更加庄重、沉稳而有力，而且体现了一定力学智慧。图5为水平地震作用下的木构架运动示意图，其中左图表示不考虑侧脚构造，右图表示考虑侧脚构造。由图5不难看出，侧脚使得古建筑的柱架体系由直立的平行四边形（矩形）变成了“八”字形。由于古建筑的柱子与梁是通过榫卯方式连接的，即柱顶做成卯口形式，梁端做成榫头形式，插入柱顶预留的卯口中。在发生地震、大风等自然灾害时，立柱与梁之间的榫卯连接使得彼此之间产生相对晃动。对于未设侧脚的“平行四边形”体系而言，其在水平外力作用下不断往复摇摆，很容易产生失稳破坏。而这种“平行四边形”的连接体系，在物理学上可称为“瞬间失稳体系”。对于设置侧脚的“八字形”体系而言，而侧脚之后柱与柱的延长线会相交于一点，形成虚“交点”，而整个体系则犹如一个三角形。其在水平外力作用下的晃动受阻，该阻力由侧脚的柱身提供。且侧脚使得柱顶的卯口与梁端的榫头挤紧，增强了榫卯节点的受力性能。在物理学上，该“八字形”体系可称为“三角形稳定体系”。

3  柱顶—榫卯连接

紫禁城古建筑的立柱在顶端与水平构件（梁、枋）的连接，主要通过榫卯形式进行。这里所说的“榫卯”，是指榫头与卯口。其中，榫头位于梁端，被加工成凸起部分；卯口位于柱顶，柱顶被剔凿掉部分木料，形成凹形口，即卯口。位于梁（枋）端的榫头插入柱顶的卯口中，形成榫卯连接；而榫卯连接的位置，可称为榫卯节点。紫禁城古建筑的榫卯节点有数十种，如图6-图8所示为太和殿柱与额枋连接为其中的一种，称为燕尾榫节点。

图6  柱与额枋的燕尾榫卯连接

图7 燕尾榫安装前

图8  燕尾榫安装后

以燕尾榫为例来说明榫卯节点的抗震智慧。从连接方式来讲，燕尾榫榫头与卯口的连接属于半刚接。所谓“半刚接”，即节点不能像铰球一样随意转动（铰接），也不像固定的刚架一样完全无法转动（刚接），而是介于铰球和刚架之间的一种连接方式，其特征为可以转动，但受到一定限制。这种连接特征是非常有利于古建筑抗震的。因为这样一来，有限的转动能力有利于减小梁柱构架的晃动幅度。不仅如此，基于能量守恒原理，地震能量传到古建筑木构架上，部分转化为木构架的变形能（构架变形），部分为构架的内能（内力破坏），还有部分转化为构架的动能（榫头与卯口的相对运动）。也就是说，榫卯节点的运动有利于耗散部分地震能量，减小建筑整体的破坏。

4  柱架—柱高不越间广

紫禁城古建筑在确定房屋的高度时，檐柱高有着明显的影响作用。《营造法式》卷五“大木作制度二”规定：“凡用柱之制……下檐柱虽长，不越间之广”。这句话的意思是，檐柱的高度不得超过构架的进深宽度。檐柱高与构架进深的位置关系见图9。

图9  檐柱高与进深关系示意图

实际上，紫禁城古建筑的高宽比均满足这种要求，比如太和殿檐柱高7.39米、进深尺寸33.35米，中和殿檐柱高5.62米、进深尺寸20.89米，保和殿檐柱高6.75米、进深尺寸21.72米。这种限制古建筑高度与宽度尺寸的做法是有利于古建筑稳定性的。与现代建筑不同，古建筑木结构的构造有着众多的特殊性，尤其表现在柱与柱顶石之间的连接方式，柱底主要通过平摆浮搁的方式立在柱顶石上，也就是说建筑上部结构与下部基础之间并没有可靠的拉结作用。发生地震时，如果地震作用导致立柱产生过大幅度的摇晃时，立柱会带动建筑整体产生倾覆的危险。另一方面，对于古建筑而言，其抵抗地震倾覆的主要方式在于自身重量绕柱底产生的抵抗弯矩。

5  结论

紫禁城古建筑木柱有着良好的稳定构造，主要表现在：

(1) 柱底平摆浮搁在柱顶石上，在地震作用下可产生摩擦滑移隔震效果。

(2) 柱身侧脚有利于地震作用下柱子的稳定，柱收分有利于减小上部竖向荷载的偏心作用，柱生起有利于降低结构整体的重心，减小地震作用下结构的倾覆可能。

(3) 柱顶采取榫卯节点形式与梁端连接，在地震作用下榫头与卯口的相对运动有利于耗散部分地震能量。

(4) 柱高不超过建筑宽度，有利于柱架在地震作用下产生复位。