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中国古建筑木结构的结构性能

一、木结构古建筑的结构形式

以木结构作为主要骨架的中国古代建筑开创了新结构形式,并且产生了和这种结构形式相配套组合的各种平面布置方式和外观结构性态。我国古代建筑从原始社会末期起,到封建社会末期的清朝,一脉相承,循序渐进,逐渐形成了一种特有的结构形式。纵观我国五千年的科学技术发展史,可以把我国古代主要的木结构建筑的结构方式分为三种不同的形式:抬梁式、穿斗式和井干式。三种不同的结构形式各具特色,在不同的历史时期使用在不同的工程领域,并且对于某些大型建筑还釆用混合结构形式。这三种我国古代木结构建筑的结构形式具体介绍如下所述:

(1)、抬梁式

抬梁式结构在西周末年已形成雏形,后来不断完善,形成一套完备的做法。这种木结构架是沿着房屋进深方向在石础上立柱,柱上架梁,再在梁上重叠数层瓜柱和梁,最上层梁上立脊瓜柱,构成一组木结构架。在相邻两道屋架之间,于各层梁的外端架擦,上下擦之间架椽,形成屋面呈下凹弧面的两坡屋顶骨架。每两道屋架间的室内空间称“间”,是组成木结构架房屋的基本单位。在我国古代,一座木结构建筑房屋通常由二、三间乃至若干间组成,结构平面布置多数沿着面阔方向排列为长方形平面形式。另外,还可以把这种木结构架结构做成三角、方形、六角、八角、圆形、扇面、十字、田字及其他特殊单层平面建筑,和多层的楼阁与佛塔等组合结构。

(2)、穿斗式

穿斗式木结构架也是沿着房屋进深方向立柱,但柱的间距较密,柱直接承受檩的重量,不用架空的抬梁,而以数层“穿”贯通各柱,组成一组组的构架。它的主要特点是用较小的柱与“穿”,做成相当大的构架。这种特有的木结构架建筑结构形式的建造方法在汉朝基本成熟,流传至今,在中国江南多省还采用这种结构形式。此外,也有在房屋两端的山面用穿斗式,而中央诸间用抬梁式的混合结构法,例如四川建于明万历年(公元年)的万年台,歇山顶,穿斗抬梁式结构;始建于道光16年(1836年)的湘西凤凰古城中的杨家祠堂,也为穿斗抬梁式结构。整个建筑做工精细,极富民族特色,整体建筑具有鲜明的民族特色和很高的建筑艺术价值。

(3)、井干式

井干式木结构架是用天然原木或方形、矩形、正多边形横断面的木料,层层累叠,在转角处木料端部交叉咬合,形成房屋四壁,形如古代井上的木围栏,再在左右两侧壁上立矮柱、承脊檩构成房屋的围护壁体。不过,这种结构形式使用不多,实物资料少之又少,在云南晋宁石寨山出土的铜器中就有双坡顶的井式房屋。据考古发掘,殷商后期陵墓内已使用井干式木墩;以后通过发掘的周朝到汉朝的陵墓也长期使用这种木墩;另外,西汉初皇宫后苑中还有井干楼。至于用过建造房屋的井干式结构形式,发掘遗址遗迹更少,仅有部分汉代西南兄弟民族的随葬铜器所雕刻的部分图像以及云南等地的部分民居房,不过现在除少数森林地区外已很少使用。

二、木结构古建筑的结构特点

中国地域辽阔,大江南北均能发现古代木结构建筑的遗址遗迹,这充分说明了其利用范围之广、影响之大。作为一种实用的结构体系,我国木结构古建筑在当时社会政治经济条件决定下,有如下一些优点:

(1)、结构体系分工明确

类似于现代的框架结构,中国古代的主要木结构架建筑形式——抬梁式木结构架结构,在平面布置上很容易形成正方形或矩形等规则柱网结构体系;柱网的四周,为保护内部结构可在各檐柱之间,按环境条件的需要砲墙壁,装饰装修门窗等。根据结构的受力可知,四周的墙壁只起到围护作用,不承担房屋上部和楼面的重量。因此,这种结构布置形式给了古代建筑物以很大的灵活方便性,按实际要求可以很简单的做成各种门窗大小不同而结构整体相似的木结构建筑,同时也可做成四面敞开、有屋顶没有围墙的凉亭,另外还可做成密闭储藏作用的仓库。木结构架抬梁式结构经过几千年的实践,成为我国古代建筑最普遍的结构方法,至于穿斗式木结构架结构的柱网布置虽不如抬梁式木结构那样灵活方便,但是在结构设计理念上的承重和围护结构的分工方面仍然一样。

(2)、气候环境适应性强

不管是抬梁式建筑,还是穿斗式木结构架房屋,只要房屋的建设髙度、屋顶与四周墙壁采用的材料和厚度、房屋门窗的位置和大小等几个主要的方面加以更改,便能使其适应各地区各种不同的气候条件。

(3)、减震消能机理优秀

木结构架建筑取材选用木材,木材的变形性能良好,并且木结构架结构的节点连接所用斗拱方式和卯榫等又都有一定限度的变形功能,因而在保证结构主体安全的限度内可降低由地震对结构整体所引起的作用,达到减震消能的作用机理。

(4)、材料供应比较方便

在我国古代绝大部分疆域内,木结构材料比砖、石等更方便就地取材,并且能在廉价的条件下快速的得到解决材料供应问题。因此,我国木结构能广泛地应用于一般性建筑,除此之外,还用于各种梁式、悬臂式和拱式桥梁。

三、古建筑木结构的结构性能

(1)、铺作层及屋盖层结构性能

梁架层和柱架层之间的过渡段为铺作层,主要为横木交叠形成垫梁支座,包括枓栱昂枋等部分,主要功能是起到构造连接、过渡空间和支撑大屋顶的作用,抗震性能较好。且枓栱的整体结构可以伸出挑檐,这样雨水无法侵蚀到柱身,并且还可以起到传递荷载、耗能减震和降低跨度的功能,美观度较好。古建筑木结构大屋盖是封建政治制度和等级的象征,政治上的需要远远超过了对形式的追求,庑殿式屋盖等级最高,这类屋顶只有皇家建筑或寺庙建筑才可以采用,歇山式屋盖次之,还有悬山式硬山式卷棚和中间收束的攒尖式等。

(2)、台基层结构性能

古代建筑木结构跟现代建筑结构不同,其主要的木结构台基层是由基础石、磉墩以及磉墩下面的人工夯土台基础构成,该结构可以保证建筑结构的外在气势和美观度。很多古建筑结构中的基座都会用高大的人工夯土台基制作,其上部结构对整个建筑结构的稳定性和安全性起着很重要的作用。高台基的设定会改变整体结构上部区域的动力特性,也就是说此结构会让上部结构区域产生位移的加速度增加。听过古建筑木结构的研究和探索发现,高台基的主要作用是放大,会直接影响到地下交通和地面运动,钟楼木结构的顶部区域,其水平响应速度可以达到容许范围的5-6倍。所以在进行古建筑结构保护过程中需要重点关注古建筑结构的隔振和振源两个方面。当产生地震时,势必会对建筑造成影响,如果结构不稳定就会严重破坏掉建筑物的整体性能。但古建筑木质结构中的隔震体系和柱脚都可以减少破坏,研究显示,如果产生一定程度的地震,柱脚会产生一些滑移,首先通过滑移可以将振动的能量降低,从而起到在强震作用下减轻振动的影响;其次可以通过柱脚滑移来将地震作用产生的能量传递,通过滑移来提供阻尼,让整体结构的加速度、相对位移的峰值和相对速度等大幅度降低,起到保护整体结构的功能。

(3)、柱架层结构性能

古代建筑结构中柱架层是比较重要的结构,其中该结构中不采用钉子和铁,而是采用榫卯连接的梁柱节点、侧脚和生起的柱架和雀替等方式来打造完美的建筑结构。通过对侧脚和生起进行探究发现,侧脚和生起可以有效的降低木质结构的位移,减少各种构件受力,保证结构的抗震性能。并可以通过生起和侧脚结构来降低柱头位移响应峰值、加速度峰值和檐柱的轴压力响应峰值的大小,让整体结构更加稳定。

雀替的作用类似于现代建筑结构的加腋梁,丰富立面的同时还可以让加强了梁端的抗剪性能和抗弯性能等。而其中应用的卯榫节点明显区别于现代建筑结构,其具有加强的转动能力,让弯矩可以更好的传递,且保证半刚性的特点。

通过研究表明,卯榫节点在水平荷载的影响下会产生滑移和限位转动,让节点因挤压而产生变形,由于柱架的存在,让基础跟柱之间约束性降低。这样的结构形式会有效的降低地震过程中对其延性需求,也就降低了地震过程对整体机构的破坏性,同时还会降低础石的倾覆力矩的抗拉影响,从而起到抗地震的作用。

四、结语

中国历史悠久,文化灿烂,在历史长河中遗留下很多古建筑。其中有些古建筑超过千年,大多数为木质结构,且在战火和地震等自然灾害中屹立不倒,充分体现了古建筑木结构具有较好的性能。现在随着国家对古文物、古建筑的重视程度越来越高,加强对中国古建筑木结构的性能和特点分析有利于现代建筑结构的发展,可以更好的维护中国古建筑,保证古建筑文化的不断传承。


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