抗住10级地震的故宫，秘诀在哪里？

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　　导语：有一种说法是：在地震中杀死人的，不是地震本身，而是不抗震的建筑。600年间，中国的紫禁城——故宫，经历了200多场地震仍保存至今，它的背后藏着什么秘密？2021年5月12日是第13个全国防灾减灾日，《了不起的中国制造》栏目将带你从古建筑中寻找一些古人防震防灾的灵感。

　　故宫 图源：网络搜素

　　抗住地震的“故宫”

　　英国BBC曾推出过一部关于故宫的纪录片《紫禁城的秘密》，其中最有看点的部分，当属专家组搭建的故宫建筑模型抗住了10级地震测试。

　　模拟7级地震时的建筑模型

　　9.5级地震

　　10.1级地震时，建筑模型左右摇晃，但并未倒坍

　　测试专家组按照1：5的比例搭建的故宫建筑模型，抗住了10级地震模拟测试 图源：《紫禁城的秘密》

　　木结构建筑的关节—榫卯

　　故宫是世界上现存规模最大、最完整的古代木结构建筑群，而木结构的连接离不开榫卯。中国榫卯最早发现于7000年前的河姆渡文化，木材凸出的部分叫榫，凹陷的部分叫卯。这种不用钉子，只用咬合关系完成的连接，就是榫卯。

　　各式各样的榫卯 图源：https://www.sohu.com/a/216184016_220024

　　榫卯结构不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震情况下通过变形可以抵消一定能量，减小结构的地震响应。通过不同的切割与组合，榫卯可以演变出上百种样式。

　　四箱体联合榫卯 图源：https://m.sohu.com/a/335016285_726548

　　相比于用钉子钉死，榫卯更像是人体关节，是一种柔性连接方式。一些榫卯会使用鱼鳔胶加固，这种用鱼鳔蒸煮捶打制成的天然胶水，胶凝强度超过一般动物胶，能伴随木质的膨胀收缩而变化，进一步形成弹性连接。

　　加上木材（顺纹）本身的抗拉强度、抗压强度较高，木结构房屋拥有更大的形变空间来抵消部分地震能量，可以说是以柔克刚。相比之下，石材、混凝土的韧性略差于木头，地震中更容易发生刚性断裂。

　　各材料密度、强度及比强度取值 图源：知乎用户@Mustang

　　此外，木质建筑还有一个优势在于重量。地震中，越沉重的建筑受地震波影响越大，产生的晃动也越大。木制建筑的重量约是钢筋混凝土建筑的五分之一，相对来说更不容易摇晃。

　　神奇的减震结构——斗拱

　　当然，要想抵御地震的攻击这还不够，故宫建筑里还有能起到减震效果的结构——斗拱。

　　当我们用木料盖房子时，最简单的方法就是四根立柱、四根横梁。通过榫卯连接的方式，立柱与横梁可以互相卡紧而不滑动，但是，此时柱子的顶端开了一个十字形凹槽，四周仅存的木材很容易折断。为了解决这个问题，古人选择局部增加柱子顶端的体积，来增强稳固性。

　　局部增加柱子顶端的体积的木制房梁结构 图源：知乎用户@猪小宝

　　而接着是下一个问题：没有柱子支撑部分的横梁，很难承受整个屋顶的重量，遭遇地震时尤其危险。于是为了给梁架“减压”，斗拱便出现了。

　　古人们很早就意识到一个基本物理知识:受力面积越大，压强越小。因此在柱子顶端加一根横木，再放上三个散斗，就能有效缓解上部压力。依此类推，还可以层层堆叠更多。

　　图源：《紫禁城的秘密》

　　有无斗拱结构对比示意图 图源：知乎用户@筱顽咚

　　随着建筑形式的发展，有限的屋顶越来越无法满足古人日益膨胀的审美需求。斗拱也演变出了更多的样式，如斗拱出踩：斗拱从檐柱中心开始，向内外两侧挑出，每挑出一步，称为一踩。

　　斗拱出踩示意图 图源：网络搜索

　　最后概括一下，斗拱往往由很多小构件拼接而成，彼此间留有一些活动余地，在地震发生时，可以利用各个构件之间的摩擦、错位、往复运动，消解部分地震能量，减少房屋倒塌的几率。

　　1679年的京师大地震，是北京附近发生过的最大地震，震级估计为8级，宫殿建筑损毁情况有详细记载，但并没有发生木骨架倒塌的情况。

　　蒋博光·《故宫古建筑历经地震状况及防震措施》，1983年2月故宫博物院院刊

　　暗藏玄机的故宫地基

　　除了看得见的部分，故宫的地基也有着自己的秘密。

　　1977年工程技术人员钻探勘察了故宫三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）的地基，结果发现，太和殿地面以下有3层砖，往下是1米的石头层、4米的碎砖与灰土交替层、6米的碎卵石与碎砖交替层。其中灰土由生石灰与黄土按3：7的比例混合而成，生石灰具有吸水后强度增大的优点和一定防潮性，而灰土层还掺有糯米汁，可以将灰土牢牢粘住，避免因大风大震而松散。

　　故宫三大殿地基构造示意图 图源：网络搜索

　　再往下是5.6米左右的木柱与填土交替层。大量木桩将荷载传递到更深更坚固的土层，下部的木筏式承台则是许多平铺的圆木，当地震作用力传导过来时，圆木水平滑移可以抵消一部分地震能量。

　　更特别的是，太和殿的柱子没有深埋地下，而是柱底浮搁在柱墩上，与此同时，柱子并不是垂直建造的，柱头与柱身存在着4.5度的偏移。这种设计日常可以防潮防蛀，地震时可以避免柱子被折断，可以说是十分花心思了。

　　搁在柱墩上的柱子 图源：网络搜索

　　结语：

　　就这样，故宫建筑从屋顶至地基进行了匠心独运的防震设计，极大程度地减少了遭受自然灾害损毁的可能性。故宫能够在这片土地上屹立超过600年，设计与建设者的智慧和辛劳功不可没。

　　参考文献：

　　1、《紫禁城的秘密》, BBC纪录片

　　2、中国古建筑的斗拱结构是否符合力学原理？猪小宝的回答，知乎

　　3、东南大学建筑理论│中建史—斗拱精讲，东联默言的文章，知乎

　　4、为什么木结构建筑的抗震性能普遍比较好？知乎

　　5、紫禁城600年地基解读，《科技日报》