故宮太和殿燕尾榫的抗震性研究

文 劉軍平 仵 晨 石小禾

我國地處環太平洋與歐亞大陸這兩大地震帶之間，是一個地震活動頻發的國家。雖然歷史上經歷了無數次大大小小的地震，但是我國眾多木結構古建筑安然無恙、保存完好，常常出現“墻倒屋不塌”或“整體結構無恙”。如遼代的應縣木塔、天津薊州區獨樂寺等建筑經歷了二十余次地震，仍然屹立不倒。最令人驚嘆的是北京故宮中的太和殿，經歷222次大小地震，卻始終巍然聳立。事實證明，這是古人將抗震思想應用于建筑的結果，反映出古建筑木結構某些關鍵技術具有卓越的抗震性能。

一、燕尾榫之起源

相傳魯班接到了國君的指令，要建設一所與眾不同、別具一格的涼亭，他在毫無設計方案的情況下，看到妻子做好的魚，將筷子前端扎進魚嘴，末端拖住魚尾，以固定魚的形態。魯班受到啟發，將風水涼亭的梁柱設計成兩條魚四目相對，柱子和梁通過魚口連接，左右兩側柱子的兩條小魚，魚魚相望、連連有魚，與《莊子·大宗師》中講述的“河流干枯，兩魚通過嘴對嘴呼吸傳遞濕氣而維持存活”有異曲同工之處。莊子的兩條魚是為了愛情至死不渝，而魯班的兩條魚是為古建筑堅韌不拔、陰陽互補。垂直方向的形式有了，但水平方向的連接卻是魯班面對的更大挑戰難題。此時魯班發現一只腹部受傷的小燕子，尾巴呈八字形卡在了兩繩之間，便以此為原型，用燕子尾巴相錯落的方式去連結兩條魚頭部，讓垂直方向的魚與水平方向的燕尾相互咬合，發揮出強大的耐受力和抗衡力，而這一木結構方式被尊稱為“燕尾結構”。所以說，燕尾榫是魯班所創造的。

“燕尾結構”的制作方法大致如此：首先確定燕尾的長度，并劃線標注，再確定尾榫的位置，將尾榫中間不需要的地方進行鑿除，然后將榫頭的輪廓線復制到面板上，依據榫頭的深度鑿出面板中不需要的部分，最后將燕尾和榫頭打磨修整，對齊安裝。就這樣燕尾榫制作完成，之后被廣泛應用在建筑領域。例如，漢平陽府君闕、天壇祈年殿和故宮群等建筑都廣泛使用了燕尾榫。在故宮古建筑群中使用最多最廣的榫卯結構就是魚和燕尾相互咬合的燕尾榫，常常使用于梁柱之間來作為主要力量架構房子的承重。例如，太和殿前檐柱與額枋連接處的榫卯節點就是典型的燕尾榫結構。“太和殿的主要構造特點之一即梁與柱之間采用榫卯節點形式連接，各構件之間的節點以榫卯相吻合，構成富有彈性的框架。榫卯連接使中國傳統的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產生一定的變形，在地震荷載下通過變形抵消一定的地震能量，減小結構的地震響應。”①這種榫卯節點有一大特點，額枋的榫頭為燕尾形，前檐柱頂的卯口為同大小、同形態的凹口形。這樣額枋由上而下插入前檐柱頂后，榫頭截面是前寬后窄，就不易從卯口的凹口形中拔出，造成脫榫現象，因此便形成了穩定牢固的連接。

圖1 太和殿燕尾榫彩色畫 （2020年11月11日拍攝于故宮）

二、太和殿榫卯結構的基本構造

榫卯是應用道家陰陽原理在兩個構件上采用凹凸結合的連接方式。凸出部分是陽也叫榫，凹進部分是陰稱作卯，榫和卯咬合如同陰陽互補，這種連接如同大千世界的陰陽原理。榫卯原理在新石器文化的河姆渡遺址的木結構中已經有發現，顯示了我國易學思想早就滲透在建筑領域。太和殿木結構最主要是榫卯原理，它結構精確、扣合嚴密，從大的柱體到小的椽沿接口都體現了卯榫結構原理。“木構件之間普遍采用榫卯連接是中國古代木構建筑的一個顯著特點。‘榫’是在木構件端部制作的可以插入卯內的部分，‘卯’是在另外一個構件上挖出的與榫相契合的開口，榫插入卯口內，兩個構件就緊密結合在一起，這種結合稱為榫卯，從而誘發出‘陰陽互補，虛實相生’的哲理意蘊。”②經過筆者調研，太和殿木結構不需要一釘一鐵，通過各種不同的契合手法，便可以使眾多構件連接為牢固可靠的整體，從而建構起了這座文明世界的建筑。

榫卯結構按構合作用歸類為三大類型：面與面的“燕尾榫”“槽口榫”“企口榫”等；點與點的“格肩榫”“雙榫”“雙夾榫”等；線與線的“托角榫”“長短榫”等。其中，“燕尾榫”被證實是最牢固連接形式之一，稱為“萬榫之母”。燕尾榫又稱作大頭榫、銀錠榫，是由左右兩塊平板直角相接而構成的組件，榫頭為梯臺形，形似燕子展翅飛翔的尾羽。燕尾榫不但外觀優美而且連接牢固，它的根部短窄、端部寬厚，在地震晃動時，越受力榫與卯咬合越緊，以此來提高古建筑木結構在地面的穩定程度，充分體現了我國傳統古建筑的工藝水平，因此燕尾榫還被尊稱為“異形結構之母”。

榫卯結構的連接有三種特性：一是剛性連接，二是半剛性連接，三是鉸接連接，三者的主要區分就在于其轉動剛度。燕尾榫榫頭與卯口的連接屬于典型的半剛性連接。“所謂 ‘半剛接’，即節點不能像鉸球一樣隨意轉動（鉸接），也不像固定的剛架一樣完全無法轉動（剛接），而是介于鉸球和剛架之間的一種連接方式，其特征為可以轉動，但受到一定限制。”③燕尾榫的“半剛接”的連接特征直接可以對接古建筑抗震，它既可以轉動也可以承受上下彎曲所受的壓力。半剛性連接的燕尾榫可以降低梁與柱構架之間的震蕩幅度，也可以從一個梁上傳遞到另外一個柱子上。巨大地震能量相當于上千顆原子彈爆炸，但我們的古建筑木結構成功抵抗住了地震所釋放出來的能量，因為它所產生的地震能量會轉換與分散多種不同的能量。這些能量會傳送到古建筑榫卯木結構上：一部分能量會轉化為木結構的形變，另外一部分能量轉化為木結構的內能。由于木質材料的柔性還可以整體延緩木結構的彎曲，例如木結構發生無規則運動，各個方向的位置偏移。地震傳遞到房屋木結構的剩余能量會轉化為本身震蕩的動能，即榫頭與卯口會產生相對運動。也就是說，榫頭和卯孔之間是通過相對摩擦滑移運動來耗散部分地震能量，起到耗能防震減災的作用，從而減小地震對古建筑整體的破壞。

圖2 三大類榫卯結構

三、太和殿燕尾榫的抗震原理

太和殿燕尾榫的特色是將前檐柱與額枋的連接做成了燕尾狀，并將其從上而下進行安裝。“從平面形狀看燕尾榫頭非矩形，其特點是根部（榫頭后尾）窄而端部（榫頭前部）寬，此做法在古建領域被稱為‘乍’；從立面形狀來看，燕尾榫頭亦非矩形，其下部窄、上部寬，這種做法在古建領域被稱為‘溜’。”①燕尾榫中的“乍”結構，榫頭一旦插進卯口后，就不會輕易從卯口的水平方向拔出。其主要原因為榫頭在卯口水平方向往外拔出的過程中，越往外拔榫頭豎截面受力面積越大，接觸面積增大摩擦力增大，所需要的水平外力也逐漸增大，而榫頭和卯口之間就被擠得更加緊密，因此，燕尾榫結構是不容易產生水平方向脫榫的。同理，燕尾榫中的“溜”結構在從上往下的安裝過程中，越往下端燕尾榫的榫頭和卯口間的水平截面、受力面、接觸面都隨之增大。兩者接觸過程中產生的摩擦力增大，豎向外力也逐漸增大，由此得知榫頭與卯口在豎向連接牢固，依然不會輕易發生垂直方向脫榫。“乍”和“溜”這兩種燕尾榫結構，都從根本上有效、有力地保障了榫頭與卯口之間的可靠連接，使古建筑具有極強的穩定性。

圖 3 太和殿燕尾榫結構（2020年11月11日拍攝于故宮）

注釋：

①王建省、康怡揚、白雪悅:《殿堂木結構與仿木結構對比研究》，《建筑結構》2016年第S1期，第391頁。

②陳明達：《營造法式大木作終究》，北京：文物出版社，1981。

③周乾：《紫禁城古建筑的傳統防震方法》，《工業建筑》2019年第6期，第213頁。

燕尾榫的抗震原理主要得益于它的安裝方法，其主要安裝方式是由上而下逐一進行的。按照圖2中的榫卯結構，故宮太和殿的安裝工序大概如此：第一步是前檐柱的安裝，第二步進行額枋的安裝，第三步使用磚瓦來砌墻。在豎向安裝時，梁枋端部做成燕尾榫榫頭的形式，這樣做的目的不光有利于燕尾榫的榫頭與卯口在垂直方向的擠壓，還有利于柱子的定位，既保證了安裝后的榫頭不會輕易從卯口拔出，也保證了前檐柱不會扭轉偏移。一旦安裝方式發生改變，效果就不盡如人意。例如，先在水平方向上安裝額枋，則需要前檐柱不斷偏移錯位來騰出燕尾榫的榫頭安裝空間，這樣前檐柱的安裝位置就會發生改變，燕尾榫的穩定結構大幅度下降。此外，如果榫頭水平方向插入卯口中，卯口的初始截面尺寸和榫卯節點的連接功能都遭到破壞，這樣影響其平穩性。綜上原理得出，最適應燕尾榫的安裝方式是上下方向安裝榫頭，這樣做的好處不僅有利于燕尾榫本身的穩固，而且對古建筑木結構整體的損壞也減小到最小。

通過故宮太和殿燕尾榫的大量研究發現，燕尾榫是當今世界公認最牢固的一種榫卯結構連接節點之一。該榫卯以其穩定性與抗震性的結構原理在古建筑木結構連接中大放光彩，也憑借它高強度的木質結構具有超強的抗拉扯、抗形變能力。燕尾榫在發生劇烈地震時，不但能承載較大的地震能量，而且允許其木結構產生一定的形變，通過形變減小的地震響應來抵消地震所產生的能量。燕尾榫不但具有通過相互擠壓來耗散地震能量而達到建筑力學的穩定結構，而且具有藝術形式美中橫線與豎線構成的美學價值，這樣保證故宮太和殿經歷多次大地震而完好無損的原始性和完整性。

注釋：

①李珍梅、周乾：《故宮古建筑梁柱榫卯連接的智慧技術》，《建筑技術》2020年第2期，第252頁。