引言

在人类建筑史上，西方代表的是石文化，而以中国为代表的东方则是榫卯土木文化。榫卯是中国木文化的起源，其历史远远超过汉字，是中国古代建筑智慧的重要组成部分。紫禁城又名“皇宫”，是中国现存规模最大、保存最为完整的木质结构古建筑群，建成时不用一枚铁钉。自1420年建成以来，这里一直是皇帝居住和理政的地方，距今已有近600年历史，历经明、清两朝24位皇帝，经历了200多次大地震的考验，至今仍巍然屹立。本文将介绍中国古代木结构建筑营造技艺，揭秘紫禁城抗御强烈地震的伟大奥秘。

榫卯结构

榫卯结构也叫榫卯接头，它由木制部件连接，不需要其他紧固件。这种类型的接头在中国传统建筑、装饰和家具中得到了广泛的应用，是传统木结构的核心。在榫卯结构中，突出部分称为榫（榫头），凹陷部分称为卯（眼）。榫和卯的穿插和接合可以有效地限制这些木质部件向不同方向扭曲的能力，因此它们起到绑定和固定的作用。由于要连接的木构件会有不同的形状，因此衍生出了各种榫卯和榫卯的组合形式，使木结构建筑实现了功能与结构的完美统一。

榫卯结构示意动图

榫卯发展史

榫卯关节的发展与中国古代经济和金属冶炼技术密切相关，大致经历了三个阶段：

1、第一阶段（初始阶段）：

在国家文物保护单位河姆渡文化遗址牛栏建筑遗址发掘出土了近百个带榫卯的木构件。这些木构件是迄今为止发现的最早的榫卯接头，它们代表了榫卯发育的初始阶段。在这个阶段，金属工具还没有出现，榫卯接头也相当原始。

新石器时代河姆渡文化带榫卯木构件

2、第二阶段（发展阶段）：

第二阶段发生于南北朝春秋时期（公元前770年—公元589年）。这一时期，由于金属工具的出现，木结构技术经历了突破。战国时期（公元前520年—公元前221年），木匠们注意到了榫卯倾角与剪切力之间的关系。东汉至南北朝（公元25-公元589年）的文献表明，当时的传统建筑木构架体系，尤其是斗拱支架（一种典型的中国建筑构件，将屋顶和屋檐的重量转移到下层柱子上）已经基本确立，中国古代建筑师已经对合理的荷载转移路径有了很好的认识。

故宫斗拱

故宫斗拱的3个类型，根据屋顶下的位置，斗拱支架可分为三类:角柱上方的斗拱支座、中间柱上方的龙骨支座和梁上方的龙脊支座。斗拱支架是从立柱顶部悬挑出来的木制支架系统，可以承载椽子和悬挂的屋顶。它是通过在柱子上放置一个大木块，为上面的弓形支架提供一个坚固的底座而形成的。下图展示了一个典型的宋代斗拱支架的装配过程。由于木工的精密度和质量，这些部件只通过细木工装配在一起，不需要胶水或紧固件。

典型的宋代斗拱装配过程

3、第三阶段（高峰阶段）：

第三阶段横跨唐宋至明清（公元618年—公元1800年），代表中国古代建筑发展的最后阶段。宋代（公元960年-公元1279年）的《营造法式》，也就是当时的建筑规范，编印了中国古代最完整的有关官员颁布的操作规程、技术规范和质量标准的建筑书籍，标志着榫卯在木结构中的技术规范已经确立，从而代表了榫卯技术普及的高峰。

《营造法式》

注：《营造法式》是宋代‌李诫创作的建筑学著作，是李诫在两浙工匠‌喻皓《‌木经》的基础上编成的。这是北宋官方颁布的一部建筑设计、施工的规范书。《营造法式》是中国古代最完整的建筑技术书籍，标志着中国古代建筑已经发展到了较高阶段‌。

神奇的故宫

在榫卯结构的不断发展下，中国古代宫殿的建造也趋向于完善和成熟，逐渐成为自称一派的建筑体系。其中，紫禁城，也就是故宫，就是一个杰出的中国古代宫殿建筑代表。

中国古代宫殿木结构部分模型

600年来，紫禁城经受了200多次毁灭性的地震。例如，1976年唐山7.8级大地震在15秒内基本摧毁了唐山市，而距震中仅153公里的故宫却坚如磐石。

故宫建筑及其周边

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探索故宫抗震的奥秘

为了探究紫禁城良好的抗震性能的奥秘，专家们以1:5的比例建立了寿康宫的规模模型，进行了一系列的地震模拟试验，探索故宫抗震的奥秘。

寿康宫1:5比例模型地震试验图

如表1所示，专家们采用了El-Centro地震波，并让其在x和y方向上作用于模型。x和y方向的峰值加速度之比为0.85，振动台以增加的数量级再现地震能量，每次地震持续时间为30s。

表1地震波设定，注:x是东西向，y是南北向

实验全过程实况

初次试验地震震级为4.0级，且震级递增0.5级，因此5.0级具有4.0级能量的32倍。

在4.5级时，模型显示了轻微的震动。

在5.0级地震中，模型开始震动，柱子稍微倾斜，斗拱支架变形，一面砖石坍塌。

在7.5级地震时，模型的震动加剧，柱子明显倾斜，剩余的砌体侧面倒塌，但传统的木结构仍然坚固地站立着。

在9.0级地震中，石头底座四处移动，模型剧烈摇晃，柱子倾斜更明显，木质元素之间传来拉扯声。

在 9.5 级地震中，这也是北京地区有记录以来震级最大的一次地震，模型剧烈晃动，立柱有倒塌趋势，拉扯声增大。

最终，在10.1级地震中，模型剧烈震动，柱子倒塌的倾向加大，但木结构仍然坚固地矗立着。测试结束时，发现砌体两侧都坍塌了，而上层建筑没有明显损伤，柱子也没有。

抗震原理分析

1、木材的物理性质

木材是一种重量轻、力学性能好的建筑材料，在外力作用时容易变形，同时又具有足够的位移恢复能力，能够有效减少地震对结构的破坏。

木结构的柔韧性

2、榫卯的应用

榫卯接头将木构件牢固地连接在一起，同时留出松动的空间，使其既能单独工作，又能共同工作。在地震中，构件相互摩擦和旋转，产生的变形能够抵消地震波的强烈冲击，降低结构的地震反应和关键部位的荷载。榫卯接头是半刚性连接，这些半刚性接头（榫卯接头）具有很高的延性，这使得内部力能够在结构内重新分布，整个建筑更具柔韧性。

地震实验位移峰值点

3.斗拱的应用

中国古代建筑抗震性能优良的另一个重要原因是斗拱支架的应用，如图所示，作为榫卯节点的特殊组合，斗拱支架在立柱上支撑屋顶，在垂直地震荷载作用下发生压缩变形，而各构件在横向地震荷载的作用下相互相对移动。地震发生时，摩擦和旋转同时发生，以相当于汽车减震器的方式吸收大量能量。斗拱支座虽然因受压和移动而变松，但其结构构件不分开。多个斗拱支柱协同作用，连接整个建筑物内所有结构，形成一个“刚体”，并按照“肩膀越有力，劳力越大”的原则，将力传递给能够抵消地震冲击的柱子，这是结构抗震性的关键。

斗拱抗震示意图

4、柱的特殊搭建（浅埋柱）

柱子的特殊搭建也对木结构建筑的地震性能产生影响，如图所示，在图（d）中，该点的位移峰值为3.69 mm。当柱子深深扎入地基时，在强烈地震中很容易折断。而紫禁城结构的柱子并不深埋在地下，这使得它们有一定程度的移动，从而可以防止柱子断裂导致的结构倒塌。此外，沉重的大屋顶还起到了平衡物的作用，向下推底层结构，使得建筑整体更稳固。

故宫寿康宫模型柱的抗震示意图

研究结论

与现有研究成果相比，通过本次紫禁城尺度模型实验验证了榫卯结构的抗震性能：在不同情况下，模型的位移曲线几乎均匀稳定，反映了结构处于稳定的振动状态，表现出良好的抗震性能。分析发现，紫禁城抗御多次强烈地震的秘密在于其木结构的柔性，这主要表现在斗栱榫卯节点、斗拱支架和浅埋柱的耗能能力上，紫禁城600年抗震奇迹的奥秘也在于此。

结语

在中国古代，无论是建筑还是家具制造，都不需要钉子，而是采用榫卯接头，榫卯结构作为中国独有的传统木结构柔性框架，尽管是在建筑科技飞速发展的当代，对比现代的各种建筑结构也依旧毫不逊色。千百年来，用榫卯连接的中国古建筑经受住了风吹雨打和自然灾害的考验，见证了历史。随着材料科学和施工技术的革新，现代木结构建筑节点在传统榫卯结构的基础上，发展出采用现代金属构件连接木构件的形式，这让现代木结构建筑更加稳固，抗震性能更加优越。随着可持续发展和低碳理念的普及与推广，环保稳固、抗震抗风、自然美观的现代木结构建筑将成为未来建筑的主流。

参考资料：

《Construction Forms and Seismic Performance of the Ancient Chinese Buildings Joined by Tenon–Mortise Joints》

Submission received: 22 April 2022 / Revised: 28 June 2022 / Accepted: 20 July 2022 / Published: 26 July 2022