中國木構古建筑結構特性分析

陶瑞峰 白佳怡

東北電力大學

1 中國木構古建筑的材料選擇

1.1 選用木材的原因

首先，從文化角度來看，“木”在中國古代代表著春天、東方，寓意萬物復蘇、春意盎然，象征著生命的力量。在古人思想中，應居住在有生命的環境中與之“共生”，故自古以來人們就居住在土質的臺基與木質的建筑空間之中。其次，從建筑設計理念角度來看，老子將“室”建筑和“車”、“器”并列，并強調“當其無，有某之用”，認為建筑是以人居住為主要目，更注重空間功能布置的合理性與陰陽五行的調和，土木作為中性的材質，是最適宜人類居住的，從現代研究角度來看，木材可以給人置身于自然之中的感受，木材所具有的溫暖、柔和的感覺會使人身心更加平靜。再次，從選材觀念角度來看，中國文化始終強調節儉，任何的華堂美廈、奢侈浪費的行為都是不被提倡的，所以木材所具有的易于加工、運輸、施工與成本較低的特質，使得它成為了中國建筑選材的歷史必然。

1.2 木材的特性

在木材的分類上，木材選用自喬木中的針葉樹與闊葉樹，針葉樹由于其樹干直、樹木高大、紋理平順、木質較軟、不易變形、強度高、耐腐蝕性強的特性，被廣泛運用于承重構件中，常見的有杉木、松木等。闊葉樹由于樹木較矮、木質密度高、加工困難等特性，更適用于室內裝修裝飾，常見的有榆木、柞木、核桃木等。木材的彈性和各向異性是其主要的物理特性，其順紋抗拉抗壓能力較強，但橫紋則較弱，在古建遺址中，柱構件的承載能力幾乎不會出現大問題，但梁式構件則會出現問題，由于木材的具有良好的彈性，將其修復的概率較高。木材易于糟朽和易毀于火，早期柱根埋于地表土層以下，由于長期不通風和其纖維毛細管作用下，柱根部分極易糟朽，故后來將建造技藝進行改良，將柱根置于礎石之上,且礎石頂面高于室內地坪，即使這樣也未完全解決柱根糟朽的問題。木材易毀于火，也是其不可避免的特性，而古建中正脊兩端的鴉吻也代表了古人對消除房屋火災的美好愿景。

2 中國木構古建筑的構造

2.1 木構架的基本形式

中國傳統建筑以木構架作為其主要的結構形式，采用均衡對稱的原則，主要分為抬梁式、穿斗式、干闌式三種結構體系。橫梁、立柱、順凜等作為主要構件，承重構件與圍護構件功能區分明確。斗拱與榫卯結構預留了伸縮范圍，平立面布置有著對稱、規則、質量與剛度變化均勻等建造原則，形狀規則的建筑形制使得在地震時各部分具有一致性，剛度與質量中心相一致，建筑物結構剛度沒有突然削弱的薄弱層，扭轉效應不會造成其變形集中，使得墻倒屋不塌。庭院整體布局也沿用了對稱的形式，沿軸線對稱布置，這種方式亦可突出主體建筑。

（1）抬梁式。抬梁式于西周末年形成雛形，此構架形式沿進深方向在石礎上立柱，在柱上架梁，用橫向的仿將柱的上端相連，最上層梁上立脊瓜柱，在相鄰兩道屋架之間，于各層梁的外端架擦，在兩層擦之間架椽，承受屋面的重量，形成屋面呈下凹弧面的兩坡屋頂骨架。又將橫向的各福排架相連，增強了整個房屋構架的剛度與穩定性，同時將兩個屋架間的室內空間稱為“間”，一座建筑通常由二、三間至若干間組成。

（2）穿斗式。穿斗式也是沿進深方向立柱，但是柱設立的較密，盡量以豎向的木柱來取代橫向的木梁，采用檁柱支撐體系，分為疏檁和密檁兩種形式，其中疏檁檁距較疏，檁子直接置于落地柱上，全部靠檁柱支撐，穿仿只起拉結聯系作用，不受彎。密檁檁距較密，間距大約只有厘米寬，一部分柱子落地，一部分不落地，不落地的部分插在下層的穿仿上，是不完全的檁柱支撐，由部分的穿仿承載瓜柱的荷載，穿仿起到拉結和受彎的雙重作用，跨度小故受力不高。穿斗式可以提高構架的穩定性，增強了抗地震抗風暴的能力，但是較小的柱間跨度不能適應大型殿宇的空間需求。

（3）井干式。井干式結構產生于商朝之前，采用原木或裁切后的橫斷面木料，層層向上壘疊，轉角處木料端部交叉咬合，形成房屋的四壁，在左右兩側壁上立矮柱與承脊檁構成房屋的維護壁體，這種結構可以直接建在地面上，或像穿斗式一樣建于干闌式木架上。

2.2 地基與基礎

原始社會的仰韻文化時期就開始以扁卵石來擴大立柱基礎，將木立柱在途中淺埋，單個的立柱依靠上部與梁等構件連接成空間結構的穩定性。在夏商西周時期，立柱經歷了由深埋到淺埋。唐宋以后，基礎淺埋露明，與立柱底部水平隔開，此法已被編入營造法式。清朝的《工程做法則例》中以檁的數量來規定埋頭深，以荷載條件來確定礎石埋深、臺基高度與窮土厚度。組成臺基石作的主要構件為“柱頂石、階條石、角柱石、須彌座、踏垛石”，臺基可以分成普通臺基、須彌座臺基、帶勾欄臺基和復合型臺基，僅在大式建筑上使用須彌座臺基。根據不同部位的臺基安裝不同的石材構件，一般在臺基中間安裝踏垛石，石材或磚包砌在臺基四角處，安置斷面為方形的埋頭石角柱石，沿臺邊安置長條形的階條石、壓面石、牙欄石和階沿石，在柱腳下端安置柱頂石、柱礎或者碟石，以承托柱子傳遞的全部荷載并保護柱子。

2.3 榫卯

我國古代木構建筑具有獨特的連接方式——榫卯，具有良好的降低側向推力的作用，在構件上挖出的洞眼被稱為“卯”，木構件上裁出的用來插入“卯”的部分被稱之為“榫”。榫卯分為直榫和燕尾榫，直榫的端部為矩形，明清時期在下面布置了雀替或替木，增強連接性能與美感。燕尾榫又被稱為大頭榫、銀徒榫，常見于柱頂，榫頭根部比端部窄，上部比下部大，防脫榫功能強，但是根部斷面小抗剪能力較弱，帶袖肩的出現可以增大榫頭根部斷面大小，提高連接功能。

2.4 斗拱

斗拱由商代的擎檐柱演化而來，殷商時代出現櫨斗，唐至元代，立柱頂部斗拱所承托的梁多插入斗拱之中，與梁架組成整體，結構與正側兩面的梁組合成井字格的結構，斗拱成為交叉處的加強節點，提升了穩定性。明清時期柱頭開始采用大、小額仿和隨梁枋，斗拱的尺寸不斷縮小，間距加密，小巧而精美。其作用是豎向傳遞荷載，在一定的荷載作用下斗拱會產生塑性，具有減震耗能的作用，比榫卯結構減震耗能力更強。

2.5 側腳與生起

側腳是外檐柱在安裝時，柱腳向外側偏移柱頂向內側偏移的適度傾斜的做法，前后外檐柱向內傾斜柱高的千分之一，兩山山柱向內傾斜千分之八，角柱向兩個方向都有傾斜，這樣的做法可以增強建筑的穩定性。生起是柱子由明間兩側逐漸升高的做法，中心的兩個柱子不生起，次間柱升高二寸，其余柱子由內而外依次遞增，可以使建筑檐口和屋脊形成上翹的曲線，提升美觀性。但是在明清時期開始，側腳與生起一般不再使用。

3 木構古建筑的結構作用分析

木構古建筑的整體結構作用一直是令人感興趣的問題，其構架類似于現代建筑中的排架、框架和剛架。地震運動會產生多種震波，首先是豎向垂直振動波，它先將建筑物水平斷開，水平波出現后造成更大范圍更大破壞力的傷害，再者就是旋轉地震波，產生扭力，對于進深小、間數多、平面布置不規律的房屋顯示出較強的破壞力。

建筑布局的長寬比揭示了構架是如何抵抗橫向地震力的，木構古建筑的長寬比多為1：1.5，均在1：1.9左右，良好的長寬比加上規律的平面布局，本身就是抵御地震的良好條件。外形越接近規律的長方形，橫向內部剛度就越大，越不容易發生平面扭曲，作用力平均分配給每一個柱子，鋪作層和屋蓋幾乎無法承擔抵抗力，將絕大多數的力分配給山面柱和柱間墻，所以山面柱和柱間墻存在的意義類似于現代的剪力墻。木材即使在短暫外力作用下產生變形,由于其物理彈性使得在外力消失后又會恢復原本的形態，進一步增加了建筑的抗震能力。

垂直波可以輕松地使抬梁式構架的各個水平層脫開，卻又能快速合攏，幾乎無法對建筑造成傷害。穿斗式梁柱長短穿插，袱端作樺入柱，編織交叉，可以抵抗垂直波。建筑的柱腳不被固定，依靠摩擦力保持建筑的穩定，輔以“生起”、“收分”、“側腳”增強穩定性，圈梁也可以增強整體性。

各平面交接處，例如閣樓暗層的斜柱、檐柱頭周和內柱的闌額、柱頭卯樺處產生的轉角彎矩等作為加固措施保證建筑的整體性。木構古建筑設計兼顧了力學與構造的合理性，大到構件的布置，小到節點的設置，無不精心雕琢。

4 結語

中國木構建筑經過了幾千年的演變，結構愈加合理，抵御災難的技術越來越趨于成熟，更由簡單的功能需求演化成了功能與藝術的集合體。在驚嘆古人精湛的建筑技藝的同時，我們更應該學習他們的大國工匠精神，數代人傳承與發揚，千年磨一劍，永不停歇。