丹巴碉樓抗震減災(zāi)構(gòu)造技術(shù)

陳 玉， 趙 婷， 成 斌， 高 明

(1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010; 2. 四川臻弘建筑工程設(shè)計咨詢有限公司，四川成都 610000)

在橫斷山脈大渡河和岷江上游的甘孜藏族自治州的丹巴縣境內(nèi)的山坡上坐落著延續(xù)了上千年的碉樓，它是藏族和羌族燦爛民族文化的代表，是藏族和羌族歷史與人文精神的載體。碉樓是石頭砌筑的史書，對于碉樓的深入認(rèn)識和研究不僅能夠讓我們感受到先民的文化和智慧，更能讓我們科學(xué)理性的對待傳統(tǒng)文化和建筑遺產(chǎn)。同時，先民的智慧可以引領(lǐng)和指導(dǎo)我們當(dāng)今的建筑設(shè)計，在國際化浪潮中彰顯民族和地域特征。

1 丹巴碉樓概述

1.1 丹巴碉樓分布與特點

丹巴作為嘉絨藏族核心聚居地，據(jù)傳在清朝乾隆年間(1736年)高碉不下3 000余座，由于地質(zhì)災(zāi)害和戰(zhàn)爭等原因現(xiàn)存碉樓560余座，這些碉樓高度從20～60 m不等，形式多樣，有著“千碉之國”的美譽(yù)。這些古碉的年代久遠(yuǎn)(追溯至唐代和清代)、規(guī)模宏大、類型多樣，建筑技藝高超，有著極高的美學(xué)、社會學(xué)、歷史學(xué)、建筑學(xué)、民族文化學(xué)價值[1-4]。

1.2 丹巴地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害

丹巴地處我國大陸第一階梯向第二階梯的過渡地帶，地形復(fù)雜，地勢變化大，境內(nèi)峰巒疊嶂、峽谷幽深，全縣最低海拔1 700 m，最高海拔5 820 m，相對高差為4 120 m。平均坡度32 °，是典型的高山峽谷地貌。丹巴縣在大地構(gòu)造位置上隸屬于龍門山褶皺帶(圖1)，該地區(qū)地質(zhì)活動強(qiáng)烈，過去幾百年里這一斷裂帶附近多次發(fā)生里氏7級以上大地震。在2008年汶川大地震中，丹巴古碉群中有45座碉樓受損嚴(yán)重，碉身開裂，碉頂垮塌[5-7]。丹巴地區(qū)海拔較高，許多碉樓位于山頂，受風(fēng)荷載影響較大，另外由于丹巴地區(qū)干濕分明，降雨集中，滑坡、泥石流常有發(fā)生并且危害較大，因此丹巴地區(qū)的建筑對抗自然災(zāi)害的難度較大。

圖1 龍門山褶皺帶及周邊地區(qū)抗震設(shè)防烈度

2 丹巴藏羌碉樓的建筑特征

2.1 結(jié)構(gòu)材料特征

丹巴藏羌碉樓大都采用石木混合承重結(jié)構(gòu)，建筑由石材、黃土及木材組成。由于地處龍門山斷裂帶附近，山上石材資源十分豐富，石材具有很好的抗壓性能并且不易風(fēng)化，這是丹巴碉樓得以留存上千年的原因之一。黃土作為石材間的填充和粘結(jié)材料，木材作為內(nèi)部樓層的承重材料，承托樓面的荷載[8-9]。

2.2 平面特征

丹巴藏羌碉樓平面形式多樣，按照其平面形式可分為三角碉、四角碉、五角碉、六角碉、八角碉、十二角碉、十三角碉及圓形碉。三角碉是全部由石頭砌成的實心的碉樓，僅作為標(biāo)志性構(gòu)筑物，并無實用功能。四角碉、五角碉、八角碉最為常見。十二角碉和十三角碉甚為罕見，如今中國唯一一座十三角碉位于丹巴境內(nèi)蒲角頂，海拔3 000 m以上，是碉樓中的孤品。四角碉和五角碉內(nèi)部空間為規(guī)則的方形，六角碉和八角碉內(nèi)部為圓形(圖2)。

圖2 碉樓標(biāo)準(zhǔn)層平面

2.3 功能特征

丹巴碉樓最原始的功能按照石碩先生的考究應(yīng)是一種祭祀的建筑物，表達(dá)藏羌民族的自然崇拜和宗教信仰的。后來由于當(dāng)?shù)貞?zhàn)事多發(fā)，環(huán)境比較亂，才演變成用于防御功能[1]。如今現(xiàn)存的碉樓按照功能劃分主要有：用于存儲糧食的家碉，用于戰(zhàn)爭瞭望的要隘碉，用于界定每個寨子的地標(biāo)性建筑物的寨碉，用于紀(jì)念人物或事跡的紀(jì)念碉，以及象征風(fēng)水或者祭祀的風(fēng)水碉等。由此可見，碉樓在當(dāng)?shù)鼐哂卸嘀毓δ埽跉v史上具有舉足輕重的地位，這也是碉樓在丹巴地區(qū)如此密集的原因。

2.4 等級特征

藏羌碉樓代表的是威嚴(yán)高聳的建筑形象，是權(quán)利和財富的象征。在以前，建造一座碉樓要花費大量的人力物力，因此碉樓的所有者必然具有一定的社會地位和財富。碉樓的高度和型制也是財富與地位的象征，高度越高、平面型制越復(fù)雜的碉樓對于建筑的施工也有著更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此代表了主人的身份與地位也更為尊貴。家碉、官碉、寨碉、宗堡碉分別代表了不同的所有者的身份。四角碉的所有者為具有一定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的大戶人家；八角碉的一般為官碉，其所有者為當(dāng)?shù)氐耐了荆皇堑锖褪堑锔鼮楹币姡挥谏筋^，作為地界或軍事瞭望。

3 丹巴藏羌碉樓抗震減災(zāi)設(shè)防思想

3.1 平面形態(tài)

前文提到丹巴碉樓平面形態(tài)多樣，在幾何學(xué)中三角形是最為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，那么為何又衍生出角數(shù)更多的碉樓呢?原因在于碉樓的角就好似一道道的拉筋，碉樓角的數(shù)量越多，在外力的作用下建筑結(jié)構(gòu)的支撐點越多，各點受力方向不一，更能抵抗外力，因而建筑結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。丹巴現(xiàn)存的角數(shù)最多的碉樓是蒲角頂?shù)氖堑铮瓉砀叨燃s60 m，是丹巴境內(nèi)較高的碉樓。

3.2 空間形體

藏羌碉樓是下大上小的錐形體，下寬上窄的形體減輕了建筑上部的自重、增強(qiáng)了墻體基礎(chǔ)的穩(wěn)固性。這種形體降低了建筑重心，對于水平荷載抵抗力較好。 因為在同樣條件傾覆力F的作用下，錐形體因重心低，傾覆力F作用的力矩小，因此建筑具有更好的抵抗傾覆能力(圖3)。

圖3 兩種形體穩(wěn)定性分析

3.3 建筑高寬比

為保證碉樓的結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，整體穩(wěn)定，抗傾覆能力，碉樓建筑的高度和平面的寬度也有適當(dāng)?shù)谋壤Ｔ诳偨Y(jié)了多例古碉平面與立面的關(guān)系后，我們發(fā)現(xiàn)古碉的高度和碉樓平面形態(tài)的周長接近1∶1～1∶1.2的關(guān)系，建筑的高度越高，平面的基座越大，大大增加了建筑的穩(wěn)定性。例如邊長為6 m四角碉，高度控制在30 m內(nèi)；邊長為2 m的八角碉，建筑高度控制在40 m內(nèi)。

4 丹巴藏羌碉樓的抗震減災(zāi)構(gòu)造

藏羌碉樓抗震減災(zāi)構(gòu)造見表1。

表1 碉樓抗震減災(zāi)做法一覽表

4.1 深基礎(chǔ)

藏羌碉樓的基礎(chǔ)埋設(shè)較深，一般為碉樓高度的1/10，埋設(shè)深度能達(dá)到5 m。同時有巨型石材砌筑的堅固的基座，石材具有很好的抗壓性能，足以承受上部的荷載。同時底部的實心砌體能夠降低建筑的重心，增強(qiáng)建筑的抗傾覆能力。另外，由于基座較高，碉樓的入口往往在距離地坪3 m左右的洞口，由繩索或屋頂平臺出入，易守難攻，具有很好的防御性。

4.2 “過江石”

在碉樓的轉(zhuǎn)角部位采用堅實粗大的石塊砌筑，又稱為“過江石”。由于建筑轉(zhuǎn)角部位受力最為復(fù)雜，是建筑受力的薄弱環(huán)節(jié)，為了加強(qiáng)碉樓局部的抗震性能，采用“過江石”進(jìn)行組砌，體形較大的石材整體性能好，在復(fù)雜受力的情況下更穩(wěn)定，其作用不是承擔(dān)豎向荷載的，而主要是抵抗剪力和地震力等橫向荷載。

4.3 組砌形式

不論哪一種平面型制的碉樓，其墻體都進(jìn)行收分，外部下大上小，內(nèi)部幾乎垂直于地面，下部最寬處能達(dá)到2 m，上部最窄處約0.5 m。墻體的厚度和碉樓的高度成比例，一般按照0.03∶1～0.05∶1進(jìn)行收分，即墻體高度每增高1 m，墻體厚度減少30～50 mm。石材的組砌也是非常有講究，采用“梅花丁”的砌筑方法，這種砌法內(nèi)外豎縫每皮上下都能錯開，故整體性較好，灰縫整齊、美觀。石頭間的縫隙填以黃泥和片石，增加摩擦，提高墻體抗壓性和整體性，使得墻體堅固牢靠[10-11]。

4.4 墻筋

碉樓的施工是由內(nèi)部往外進(jìn)行，碉樓內(nèi)部四周的墻體每隔1.5 m的高度就要用木板設(shè)置一道橫筋，形成“腰箍”以承載上部石墻的荷載并加強(qiáng)碉樓的整體性。作為出入碉樓的洞口或者瞭望射擊的洞口上部放置巨木，形成過梁，用以承托洞口上部的荷載，將壓力分布到兩側(cè)(圖4)。

圖4 碉樓剖面

4.5 壁柱和“乾棱子”

在水平力作用下，墻體中部彎矩最大，因此為了防止墻體中部先于其他部位發(fā)生破壞，在墻體的外側(cè)設(shè)置魚脊?fàn)睢扒庾印被蛟趬w內(nèi)部的中部設(shè)置壁柱，增加墻體的整體剛度(圖5)。

5 結(jié)束語

丹巴古碉經(jīng)歷了時間的洗禮和自然災(zāi)害的考驗仍然屹立不倒，這是先民的智慧和工匠的巧手留下的財富。提取和吸收碉樓的抗震構(gòu)造是對碉樓的技術(shù)解讀，碉樓通過嚴(yán)格控制建筑平面形態(tài)與高寬比、深埋基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)角砌筑“過江石”、墻體內(nèi)置橫筋和壁柱外設(shè)“乾棱子”等等技術(shù)手段使得碉樓歷經(jīng)數(shù)次大地震的考驗，留傳上千年，這不禁令人贊嘆。借鑒和吸收碉樓的抗震技術(shù)，希望能對當(dāng)代的建筑設(shè)計以及碉樓的保護(hù)和傳承提供借鑒和參考。

圖5 墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析