古建斗拱抗震原理：兼具“不倒翁”与“弹簧”特性

古建斗拱抗震原理：兼具“不倒翁”与“弹簧”特性

斗拱是中国古建筑中独特的结构构件，以其精巧的设计和出色的抗震性能著称。在地震中，斗拱通过各构件间的摩擦、挤压和往复运动，将地震波的能量转化为动能，大大减少了内能比例，从而有效防止了建筑受损。这一古老的建筑智慧不仅展现了中国古代工匠的高超技艺，也为现代建筑提供了宝贵的借鉴。

斗拱位于建筑立柱和横梁交接处，由斗形木构件（斗、升）、弓形木构件（栱、翘）及斜置的木构件（昂）等组成。它不仅是一个结构的需要，而且也是构成古建筑优秀艺术形象的重要组成部分。

斗拱的力学智慧体现在它出色的抗震性能。大量的勘查结果表明，斗拱在地震中通常能够保存完好。在发生地震时，斗拱的各个构件之间互相摩擦、挤压，并产生往复运动，犹如一个运动的机构体系。从能量守恒的角度来看，当地震波的能量传到斗拱位置时，主要被分成了两部分的能量：斗拱的内能与动能。内能是让斗拱自身开裂受破坏的根本原因，也就是说，内能越大，斗拱受破坏越严重。斗拱的厉害之处，即它可以很好地减少内能所占的比例。其原理在于，每个斗拱由许许多多的小构件组成，它们犹如机器的零件一样，在地震中不断产生各种运动，将大部分地震波的能量转化为动能，从而使得斗拱内能的比例很小，斗拱因此在地震中几乎不会受到破坏。

在对故宫太和殿斗拱抗震性能开展试验研究后发现，无论是水平方向还是垂直方向的振动，都不会造成斗拱受破坏。斗拱是如何应对这两种振动的呢？

“不倒翁”——水平抗震

面对水平方向的振动，斗拱表现出了自动恢复的功能。一方面，斗拱的重心位于其下方，它就像一个又矮又胖的人，在水平振动（推拉力）作用下尽管会发生摇摆，但是不易倾覆。另一方面，坐斗的水平截面尺寸宽大，增大了斗拱与其底部的接触面，斗拱在发生左右摇摆时，便会绕着坐斗两侧的支点进行摇摆。而在斗拱摇摆过程中，其上部屋顶的重量迫使斗拱不断地复位，因此，斗拱就像不倒翁一样，不断地来回摆动，在振动结束后又恢复到了初始位置，本身难以受到损害。

“弹簧”——垂直抗震

同时，斗拱还能够抵抗垂直方向的振动作用。斗拱由木材制成。在受到外力作用时，木材很容易产生变形并迅速恢复原状，犹如弹簧一样。在垂直方向上，斗拱由一层层构件叠加起来，这就像是一层层弹簧连起来一般。发生垂直方向的振动时，斗拱整体就像弹簧一样反复进行压缩-复原运动，不断地削弱振动的能量，有着“以柔克刚”的特性。从能量守恒角度讲，振动的能量被斗拱弹簧一般的特性转化成弹性势能，这也是一种减小斗拱内能的手段。斗拱的这种弹簧特性抗震方法，也被称为隔震。

斗拱精巧的构造及优秀的抗震性能，汇聚了中国古代工匠丰富的工程经验，体现了中国古代建筑精妙绝伦的卓越智慧，是中华优秀传统文化的重要组成部分。2010年上海世界博览会中的中国国家馆，也运用了斗拱元素，体现了“东方之冠”的理念。

山西五台山佛光寺东大殿是中国现存保存最完整、规模最大、等级最高、最古老的唐代木构建筑。在其超过1100年的历史中，经历过多次自然灾害的考验，佛光寺所处的五台山位于华北地震区的汾渭地震带上，经历了包括至少8次5级以上的地震。尽管经历了如此频繁的地质灾害，佛光寺特别是其东大殿，仍然保持了较好的完整性和稳固性，这主要得益于其精湛的建筑技术和坚固的结构设计。

佛光寺东大殿的斗拱高度约为柱高的1/2，斗拱断面尺寸为210厘米×300厘米，是晚清斗拱断面的10倍；殿檐探出达3.96米，在宋以后的木结构建筑中是找不到的。同时，大殿梁架的最上端用了三角形的人字架，使用时间之久在全国现存的木结构建筑中可列第一。这样的设计不仅节省了木材，还减轻了建筑物的整体重量，使构架更大更稳固。