中国古代大木建筑与现代建筑结构的比较
[内容提要] 中国古代的建筑工匠通过长期的实践，在古建筑构造方面做出了许多杰出的成就，本文就其在建筑基础、平面布置、构件的连接、结构的加固和稳定等方面的成就展开陈述，并与现代建筑的技术结构加以对比，以做到对古建筑的传承和发扬。
[关键词]建筑基础 平面布置 构件连接 结构加固 结构稳定
Abstract: In history, Chinese master builders had done a number of excellent structure design works, through a long time trial and error practice. The aim of the article is to show the achievements of ancient Architecture of china from foundation、plan layout、structure connection、structure reinforcing、structural stability etc, and then compare them with modern structural engineering designs, In order to inherit traditional excellent structure design works and promote technical development of modern architecture of China.
Key words: foundation ；plan layout ； structure connection ；
structure reinforcing ； structural stability
中图分类号：TU3 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）03-00
我国历史悠久，现存的古代建筑物数量很大，如建于辽统和二年（公元984年）的天津 县独乐寺观音阁；建于辽宁二年（1056年）的山西应县的木塔，全身都是木结构，距今已有近千年的历史了。又如建于唐末的山西佛光寺大殿，宋代的开封琉璃塔，以及遍及全国的许多住宅建筑等，它们也都经受过不同程度的地震破坏，有些还不止一次，却至今仍完好的保存着。我们可以通过对中国古建筑的学习和探讨，找出它们在抗震方面的优点，使其古为今用，以更好地做现代建筑的设计及古建筑的保护工作。
建筑基础
1.加强建筑地基水平方向的强度，防止局部沉陷的破坏。
中国有许多古代建筑能够流传至今，依然岿然不倒，很大程度是与建筑的地基有关系的。我国古建筑的地基工程都非常的坚实,且用多种材料粘合以增加其强度，防止局部沉陷，保证其水平方向的平整。在做建筑物的台基时，通常先把地面依柱网将地基划分为若干区，在柱基础处砌砖磉墩，并砌以拦土墙（地
垄墙），使其和磉墩连成一片，然后填土夯实，以保证台基在水平面上的刚度。最后在磉墩上放附鼓镜的柱顶石，木构建筑则依靠其梁柱体系和榫卯结构，并通过自身的的重量将建筑各个部件压合在一起，置于台基柱顶石之上。由于建筑地基水平方向的强度大，即使建筑下的土质比较松软，甚至出现局部沉陷，也很少对建筑造成重大的影响。另外，对于古塔的建造，除在水平方向进行加固外，还经常增大增高塔基（塔的下部基础），它不仅保证了上层建筑的坚固稳定，而且增强了建筑物庄严雄伟的气势。
2.依靠建筑与基础的错动减少地震波的能量传递。
古代建筑与现代建筑基础的很大区别在于，古代建筑基础多为自下而上，即从地面及地面以上做夯土，垒台基，之上再建房屋,建筑的柱子不再埋入土中，而是置于台基之上。这样的设计不光使建筑够有效的防水防潮，而且使整个建筑浮出地面，减少地震波的传力。当地震来临时，建筑相对于基础做位移，因此，我们所看到的现象便是柱子在石础槽中的左右摆动，以卸去地震的能量波，免受破坏，在地震停止后又恢复原位。而现代建筑地基多为自上而下，即从地面向下挖土方，然后在基础之上建房。由于基础与大地的紧密结合，使建筑承受了地震波的大部分能量。直至1923年的东京大地震后，人们才对现代抗震设计理念有所反思。现代建筑中所采用的片筏基础即是对这一问题的思考。其抗震体系与中国古建筑抗震理念同出一辙，即在土质比较松软而建筑重量及刚度都相对较大时,把地面视作水面,而把建筑视作漂浮于水面的大船.建筑将其独立的基础都连成片，称之为筏基，由于它增加了建筑物整体性，减少了地基附加压力，所以可以埋深很浅。当地震波经过地基时，就像船在海浪中那样，房屋各部分不受波的运动影响而出现差异变形，更不会引起柱与柱之间的相对位移而使结构内部破坏,这在唐山地震中已得到验证。此外，现代高层建筑所采用的箱形基础亦有异曲同工之妙。其抗震理念同样是把建筑视作漂浮于水面的船，把基础视作船底部的水舱将建筑浮起。其基础以钢筋混凝土为材料，箱基具有较大的刚度，箱内一般高3-5米，可与地下室结合，利用箱内的空间排土以减少地基的附加压力及沉降，大大提高了建筑抗震的能力。
二.平面布置
中国古代木构殿堂的柱网布置，经常采用内外两周的配置方法，构成了一个大圈套小圈的双层圈柱平面，如山西五台山佛光寺大殿,这种平面形式在古建上称之为“金箱斗底槽”，其内外两周的柱子均用梁枋拉接,有效的提高了结构的稳定性。其平面在木塔上也常有使用, 如山西应县佛宫寺释迦塔，后来从木塔转化而来的砖石塔，也保留了这种形式，如江苏苏州虎丘云岩寺塔,就其承重结构而言是“双套筒”式砖砌结构。现代高层建筑中的筒中筒结构正是运用了这种结构原理。在高层建筑中，经常利用电梯、楼梯以及各种上下管井集中组成封闭的筒状抗剪构件，布置在中部形成一个剪力核心，再与外面的筒体连系，使内外二筒共同作用,形成套筒结构体系,这种结构不仅能抵抗水平推力及扭曲应力，即使遇到垂直颠簸也不宜受到破坏。此外，从木塔向砖石塔改变的过程中，早期来源于楼阁的四方形平面，逐渐改成了八边形，十二边形，甚至圆形平面。我国古代工匠发现，建筑物的锐角部分在地震时受力集中，容易破坏，而钝角和圆角受力
均匀，不宜破损。现代高层亦是把建筑平面做的规整，避免出现锐角，这样有利于防止地震力的扭转破坏。
三.构件的连接
中国古代木构塔中所有的斗、拱、昂、枋等构件，均具有承载的能力，与梁、柱、椽等结合为一整体，虽然榫卯结合严实，但其紧而不固。当遭遇强大的地震时，首先，地震力通过地基传给柱，各支柱上下移动，斗拱也跟随着上下移动，吸收一部分能量，减轻地震传来的震度；接着，地震力通过斗拱，由于拱的截面有挠性，可以吸收能量，对地震力起到缓冲，经过复杂性能的斗拱层的垂直振动后，地震力就所剩无几了。最后，地震力传至上部屋顶，其所有构件的榫卯如同关节般的相应的活动，使全阁的结构处于弹性状态，防止局部受力损坏。这很像我们现代大跨度建筑中的网架结构，其支座节点可将力均匀的传递给建筑的每一部分，并且可以在垂直边界的方向有微量的转动和位移，以消除温度应力。此外，中国古建中的木构件本身就具有很大的弹性，而我们现代的建筑亦是利用钢的柔韧性做高层的抗风处理。
四. 结构加固和稳定
1.结构暗层
中国古代的楼阁和古塔,为加强其结构的整体强度,通常在各楼层间设平坐暗层,并在暗层梁柱间增加斜向支撑,使得建筑的刚性有很大的改善。 这一做法与现代高层建筑的结构间层做法极其相似。现代高层的上下层在结构刚度不同或需要做结构转换的地方，经常做结构间层以加强上下的联系或做过渡之用。其做法也是在梁柱间增加斜向支撑，如香港的汇丰银行，其外部的斜向构件成了其特色的标志。此外,为供奉高大的佛像，古代楼阁古塔通常在一二层之间开了井口,如天津独乐寺观音阁,而通常中间层是受水平力以后易于折断的地方，开了井口后更减弱了这一部分的抗震强度。为了弥补这个缺陷，工匠在一二层之间部位设斜戗柱，布置斜戗能使许多柱子参与抗震倾覆力矩，同时延长了有效的内力矩的力臂。在现代建筑中，也有类似的做法，如金贸大厦，其中间也是开了井口，其内部的斜向连接构件更是清晰可见，这种斜向构件还可以帮助高层建筑抵抗风压，减少总体屈曲。另外，中国古建筑柱头上部有连成圈的枋，它也起到联系的作用，防止了柱与柱之间的倾动。和现代建筑中的框架结构中的圈梁作用相似，有所不同的是，现代的框架结构柱梁多为一体浇筑，而古代梁枋柱之间多为榫卯结合。它们的相互拉接对结构都极其有利。
2.柱子侧脚、叉柱造与缠柱造
中国古代建筑工匠创造了一种稳定木结构的方法，即柱子侧脚，以保持结构的稳定性。宋代《营造法式》一书中规定：“建筑外檐柱在前、后檐均向内侧倾斜柱高的千分之十，在两山向内倾斜千分之八，”其被定为建筑结构的一种基本制度。如为楼阁建筑，则楼层于侧脚上再加侧脚，逐层仿此向内收。如此，将建筑物两侧的柱子柱脚向外侧出，柱头向里收后，加上柱头上的枋连成的圈，
便成为一个平顶的方锥体。这样的建筑物在遇震时，重心不易外出，比较稳定。天津 县独乐寺观音阁不光用柱子侧脚的方法稳定结构，而且还用了叉柱造法，即建筑中二层的柱子落在一层斗拱的斗耳上，其中心与一层柱子的中心有半柱径的水平位移，其柱头处的斗拱把上层的柱子高高托起，这种做法加大了受力点与柱子中心的距离，减小了力矩，且与柱子柱脚侧出的角度相呼应，使力指向柱心。此外，柱子的偏心不但平衡了挑檐的重量，又使重心内移，具有合理的力学平衡性。这和我们现代建筑中利用梁的出挑做阳台.雨篷一样，不但使整个结构更趋于平衡，且解决了框架柱中角柱和边柱受力偏心的问题。
此外，古建筑中还经常使用缠柱造，做建筑型体的收分，其实例见于山西应县释迦塔。它是在下层柱端部增加一根斜梁，并将上层柱立在此梁上，另外每层还要个增加一组斗拱——附角斗。这种做法广泛地运用于中国古塔的建造，其在结构、构造和外观上都比较妥善，这也是现代高层建筑作形体收分的效仿之法。除建筑型体的收分外，古建筑中柱有亦收分，由于顶部柱径大于端部柱径，使柱的受力更为合理，更有利于抗震。
五.斗拱与模数制
中国古建筑中的斗拱在结构体系中起了极其重要的作用，它不仅巧妙地把上部荷载平衡地传递给坐斗下的柱或梁，增加了梁身在同一净跨下的荷载力，而且增加了挑檐的出挑长度。此外，它的尺寸差不多和所有大木构件都有直接的关系，其斗口的宽度是建筑机构间尺度的计量标准，这也是古代建筑之所以形成一系列法则流传下来的很重要的一个原因。在现代建筑中，取代了以斗口为尺度的模式，同时采用了更加灵活的建筑模板制度，使得现代建筑的样式千变万化，丰富多彩。
中国古代的模数制，与西方古典建筑柱廊中强调立面构图中的竖向矩形迥然异趣，大量中国古典建筑立面，都强调的是水平立面，即使少量的楼阁及佛塔经幢等，也因其结构原型为中国古代的木构层叠式或模拟与表现这种结构形式上多重水平线的外观，而大大弱化了这些垂直式建筑的竖向意味。但现代高层建筑模仿古代建筑，一味的模仿其造型，只是形式化把高层建筑三段化，然后给建筑披衣戴帽，加顶加底，由于缺少古代建筑的层层的韵律感和合适的比例尺度，使建筑显出一种“似像非像”的怪感。其更忽略中国古建筑是水平向的构图，即便是中国古塔，也是单层建筑屋檐、屋身、平座三部分的反复叠加形成。但现代建筑中亦不乏有典范之作，上海金贸大厦就是一个很好的例子，它继承和发展了古典文化的传统，利用建筑形体的收分和层层的出檐做出了中国古塔的韵律感和合适的比例尺度，是我们学习和效仿的典范。
通过对中国古建筑与现代建筑的结构的比较分析，我们不仅能清楚地看到中国古代木结构建筑的辉煌成就，而且可以进一步学习和研究古代建筑中所蕴含的丰富多样的传统文化思想，学习古人在建筑营造上的奇思妙想，使其古为今用，来更好地做现代建筑设计。
参考书目：
《中国古建筑二十讲》楼庆西 著 （生活.读书.新知三联书店2004年8月出版）
《罗哲文古建筑文集》罗哲文 著 （文物出版社出版发行，1998年3月第一版）
《中国建筑史》 潘谷西主编（中国建筑工业出版社出版，2004年1月第五版）
《基础工程学》陈仲颐叶书麟 主编 （中国建筑工业出版社出版，1990年10月第一版）
《建筑构造》 刘建荣 主编 (中国建筑工业出版社出版，2000年6月第二版)
《中国建筑类型及结构》刘致平编(中国建筑工业出版社出版，2000年8月第三版)
The article: The inheritancing and developing of ancient Architecture of China
The writer: cui long peng