侗族獨柱鼓樓構造特征及模態分析

蒲爽　樊浪波　黃川騰　馬清

摘? 要：侗族鼓樓是侗民族木構建筑營造技藝的代表，獨柱鼓樓是其典型結構形式之一。為了探究侗族獨柱鼓樓構造特征及動力特性，該文以述洞鼓樓為研究對象，基于實地調研數據，分析了平面選型、建筑構造特征和抗震構造特征;運用SAP2000軟件建立獨柱鼓樓三維有限元模型，完成模態分析，揭示了獨柱鼓樓動力特性。該文所述實測數據、構造特征、建模技術有助于從建筑結構方面對鼓樓進行研究。

關鍵詞：侗族;述洞鼓樓;構造;模態分析;SAP2000

中圖分類號：TU366.2 ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

侗民族分布于我國貴州、湖南、廣西、湖北以及廣東地區，人口總數近300萬。侗族人民善于建筑，侗族木構建筑營造技藝已經列入第一批國家級非物質文化遺產名錄，鼓樓是侗族建筑中的符號樣本，也被視為侗族木構建筑的集大成者。

目前對于侗族鼓樓的研究主要集中在3個方面。1）文化符號[1-2]，主要探討鼓樓的社會意義和文化內涵。2）營造技藝和建筑美學[3-4]，側重研究木作構造和幾何美學。3）數理邏輯[5-6]，傾向分析鼓樓構造中呈現的數學概念及數學思想。但是針對侗族鼓樓在建筑結構尤其是工程力學方面的研究較少。獨柱鼓樓是最具代表性的侗族鼓樓形式之一，該文以述洞鼓樓為研究對象，分析獨柱鼓樓平面選型和構造做法;通過SAP2000軟件建立三維有限元模型，探討了榫卯節點建模方法，完成了模態分析工作。

1 述洞鼓樓構造特征

1.1 建筑構造特征

鼓樓底部為多邊形，多為四邊形和八邊形，樓頂是多角形狀，鼓樓層數通常為奇數。現有鼓樓分類方法中，較具有代表性的是蔡凌[7]根據大木作結構體系和屋面構造做法的角度，對侗族鼓樓的結構技術類型進行了分類研究，將鼓樓分為抬梁穿斗混合式與穿斗式兩大類，如圖1所示。穿斗式鼓樓是純粹穿斗式的木構架結構，所有的檁都由柱承托重量，柱與柱之間用穿枋連接，頂部屋架則由檁條、枋和斗枋聯系成一整體。這種類型的鼓樓又可根據其屋面的結構體系和受力特點分為“中心柱型”和“非中心柱型”。“中心柱型”鼓樓平面為正多邊形，依據其中心柱貫穿情況又分為獨柱鼓樓圖2（a）～圖2（c）及“回”型鼓樓圖2（d）～圖2（f）。其中獨柱鼓樓在其結構中心有貫穿的中心柱，回型鼓樓下部中心無柱僅在結構中上部位有雷公柱（源于漢族建筑，是處于攢尖建筑頂部的懸空柱，是古代建筑主要的避雷裝置）。

獨柱鼓樓以述洞鼓樓建造最早，也最為典型。述洞鼓樓建于明崇禎九年（1636年），是貴州省黎平縣內僅有的一座完整保留的獨柱鼓樓。如圖3所示，四檐閣鼓樓共5層，高約15.8 m，除首層有撐柱供伸展和裝修外，整座鼓樓以中心金柱貫通上下，作為主要承重構件。從外觀看，述洞鼓樓由下往上逐層向內縮小，構成上下檐層疊形狀;從樓內觀看，以中柱為正中心，直徑不同的出水枋和角挑枋縱橫交織于中柱，連成整體，第一層枋作第二層瓜柱的支撐，按照這樣的構造形式反復至第六層。整座鼓樓構件之間均以榫卯連接。表1為述洞鼓樓核心構件實測尺寸。

1.2 抗震構造特征

1.2.1 柱與柱礎石的連接

根據實地考察，如圖4所示，侗族鼓樓柱與柱礎石的連接方式均為平擺浮擱，上部主體木結構與下部基礎并非理想剛接，柱礎石提供水平方向的摩擦力和豎向支撐，柱根不傳遞彎矩。這樣的連接方式既可以發生有條件下的適量滑動位移，又可以發生轉動。在水平地震作用下，柱端與柱礎石的相對位移既能滑動耗能又能減小結構整體剛度、增加結構周期從而減小地震作用，起到了隔震效果。

1.2.2 木構架及榫卯連接

侗族鼓樓采用木構架承重，獨柱鼓樓木構架主要由中心柱和檐柱承重。如圖3所示，所有的梁柱構件均采用榫卯連接，榫卯節點相當于半剛性節點，其變形介于理想剛接點與理想鉸節點之間。地震作用下半剛性連接方式能夠通過匯交于節點的桿件之間的滑動、摩擦、擠壓來耗能，又能通過減小結構剛度增加周期達到減小地震作用的效果，對抗震較為有利。

1.2.3 屋架體系

屋架體系本身是指木結構建筑的屋頂部分，在該文所指的獨柱鼓樓中相當于鼓樓塔頂（如圖5所示），塔頂與主體木結構主要采用斗拱結構、孔隔交錯及榫卯連接，這樣的連接方式起到建筑物剛性協調的作用，遇有地震作用時，消耗地震能量，使地震在樓身的作用大為降低，起到抗震效果。

2 獨柱鼓樓有限元模型

選用云杉建模，根據《木材學》常用木材性質，fu順=40.8MPa，ft順=96.2MPa，密度為0.005 g/mm3，泊松比取為0.2。參考文獻[8]的做法，榫卯半剛性采用線對象端部釋放實現;采用自定義法定義塑性鉸，梁鉸為P-M3型，柱鉸為P-M2-M3型。針對柱與柱礎石的實際連接情況，該文分別建立了柱腳剛接和鉸接模型，如圖6所示。獨柱鼓樓模態分析結果見表2（僅展示前三階振型結果）。

3 結語

鼓樓兼具民族文化價值、大木作營造價值及美學價值，該文針對獨柱鼓樓，以述洞鼓樓為對象進行了建筑構造、抗震構造和模態分析方面的初步探討。結構分析的前提是對結構構件的精確測量，榫卯連接的模擬方法也直接影響了模擬精度，但是由于鼓樓類型繁多、細部做法復雜，且具有不規則地的表面，對鼓樓結構進行精細化建模還有待與廣大科研人員一起做進一步深入研究。

參考文獻

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