中国古建筑结构抗震哲学思想探索，本文主要内容关键词为：哲学思想论文,建筑结构论文,中国古论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031 文献标志码：A 文章编号：1000-8934(2008)12-0047-05
1 概论
“5.12”汶川地震，造成大量建筑结构的严重破坏，给人民群众的生命财产带来巨大的损失。这些建筑大多是最近几十年设计建造起来的，为什么在遭遇地震时却如此脆弱？作为世界的地震多发国之一，怎样大力提高一般结构(房屋、水坝、桥梁等)的抗震性能，以尽力保证我国人民群众的生命财产安全？这些问题再次引起广大民众和各级政府的深切关注，也再度引起我国建筑工程界的严峻反思。
纵观中外的地震灾害史，历次地震(尤其是强震)所造成的大量毁灭性破坏，大多与房屋和河堤结构的破坏有关。在我国地震史上，这种例子很多。如1068年8月河北河间地区发生6.5级地震，就导致“大河决溃，地复震裂，庐舍摧塌，人民压溺，几已万数”，造成城池毁坏、房屋倒塌和上万人死亡的巨大灾难。再如1879年7月甘肃省武都地区发生8.0级大地震，导致“山岩崩坠，河水涌塞，后复冲开，水势汹涌，致河北街民房尽行淹没，伤人无数”，造成了近3万人死亡、楼桥大面积崩塌的严重灾害[1]。1976年的唐山地震之灾，则至今仍为国人之痛。
在世界地震史上，此类例子也很多。1923年9月1日，日本关东发生8.3级大地震，东京和其他城市共震毁房屋25.5万间。地震引发的火灾，使44.7万间房屋毁于一旦，共导致14.2万人死亡或失踪。震灾之后，内阁政府被迫下台，天皇只得另外组建新政府[2，3]。1960年5月22日，在智利发生8.9级地震(这是近百年来震级最大的地震，也有人说是9.3级)。震中地区几十万幢房屋大多严重破坏，有些地方在几分钟之内下沉近2米之多，仅当地居民死亡就达5700人[2]。
但是，在世界地震史中也有很多屡经地震(甚至强震)而不倒的建筑。仅在我国现存的古代建筑中，就有很多典型的范例。例如西安的大、小雁塔，山西的应县木塔(佛宫寺释迦塔)，天津蓟县独乐寺的观音阁，以及辽宁义县奉国寺的佛教建筑群等。这些建筑都是历经千年的高大建筑(高度从20多米到60多米不等)，在数次甚至数十次强烈地震中都经受住了考验。很多时候甚至是在周围的全部建筑都被地震破坏殆尽的情况下，它们却屹然壁立而梁柱不圮[4-6]。
对比今天大量的一般结构并不高超的抗震性能和50至70年的使用年限，这些古建筑不仅可谓稳固如山而且寿长若海！为什么这些依靠木石砖瓦等原始材料搭建起来的高大建筑，能够经得起上千年来多次大地震的考验？古代工匠们采取了哪些结构措施来保证这些建筑的超强抗震性能？其中又蕴涵了怎样的哲学智慧呢？认真探索一下这些问题，对提高今天各种建筑结构的抗震水平具有很好的借鉴意义。
2 现代结构工程的抗震思想及困惑
从各种高坝大桥和奇楼深洞的修建竣工中，常人不难想象现代结构工程发展水平的日新月异。借助数学力学和材料科学的发展，加上计算机技术的引入，今天的土木工程已经发展为非常庞大而繁杂的体系。但是，由于工程实际的复杂性，许多情况下我们仍然无法准确计算结构的承载力，甚至难以确定结构的真实受力状况。导致这一结果的主要原因之一，是一些客观条件过于复杂。在结构抗震工程中，这种状况尤为突出。
结构抗震的复杂性，首先表现在地震的不确定性上。这种不确定性(也称随机性)，至少可以归结为三点：时间不确定，方向不确定和大小不确定。地震的大小和方向的不确定，是常人容易理解的，无非是地震发生在哪个位置方向、震级具体多大都是事先不知道的。而时间的不确定性就要复杂一些。时间的不确定包括三点：一是地震发生的具体时间不确定(无法预报)；二是地震的持续时间不确定；三是地震波的基本振动周期(基本频率)不确定。如果说发生和持续的时间不确定可以通过多层预警系统来防范的话，那么基本频率(含能量最大)的不确定性就非常难以设防。其中的危险就在于：当地震的基本频率与所建结构的自振频率相等或接近的话，将会产生破坏性极大的共振现象——此时即使是设防等级很高的建筑，也很难避免遭受严重破坏。
结构抗震的复杂性，还表现在结构构件的材料和几何形状等的不确定性上。因为生产工艺和施工条件的原因，即使是同一批产品，其质量也很难得到统一保证，更何况施工人员素质和各种客观条件的千差万别。因此，各种工程质量隐患几乎无处不在，只是大小不同而已。国家出台的越来越严格的各种建筑规范，就是为了尽力避免各种质量隐患超出一定的允许范围。
正是基于上述原因，现代结构工程在应对抗震问题时，主要不是采用确定性的结构计算方法，而是引入基于概率理论的极限状态设计法，以及基于工程经验的概念设计法。由此，我国确定了建筑抗震设计的基本原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”[7]。但即便如此，在结构抗震上，公认的事实是“概念设计比计算设计更重要”。究其原因，还是涉及的因素过于复杂，导致一般的抗震设计计算难以给出足够合理的结果。
引入“极限状态设计法”，是允许结构出现一定概率的失效(破坏或不能继续使用)，而不是处处保证结构的安全。而所谓的“概念设计”，则是借鉴以往工程实践中总结出来的一些经验，用以指导结构的抗震设计。譬如“尽量选择平、立面几何形状简单的设计方案”，“尽力保证平、立面的刚度和质量分布对称”，以及“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强节点，强锚固”等等[7]。
“简单对称”，是为了传力明确、便于分析，避免复杂因素可能带来的不利影响。“强弱分明”，则是为了保住一旦破坏后果严重的构件(如主要的柱子)，适度牺牲部分允许破坏的构件(如部分横梁等)。通过局部破坏和较大的变形，可以大量消耗地震传给结构的能量，从而达到保全整体的目的(至少在超强地震下能延缓一段时间，以赢得宝贵的抢救时机)。将这一思想概括起来，人们得出了“延性抗震”的概念。所谓的“延性(结构)”，是相对于“脆性(结构)”而言的，就是在地震的作用下，保证结构能产生较大的变形，而不出现瞬间发生完成的脆性破坏。
打个比方可以形象地说明这一理论：一张桌子在受到激烈摇晃时，如果桌腿发生断裂，那么整个桌子就会倒塌，上下的东西都难以保全；如果仅是横撑发生了破坏，那么过后只要适度修理一下就能再次使用了；即使无法避免整个桌子最终倒塌，如果能通过横撑的变形破坏来消耗振动能量并延缓一段时间，也可以为抢救上下的物品赢得宝贵的时机。
正是由于“延性抗震”概念的引入，彻底改变了以往依靠结构的强度去抵抗地震的错误观念——正如墨西哥著名的地震工程专家罗森布卢斯(E.Rosenblueth)所指出的那样：“为了满足我们的要求，人类所有财富可能都是不够的，大量的一般结构都将成为碉堡”[8]。因此，“延性抗震”的概念不仅能达到依靠部分结构构件的破坏来保全整体结构的目的，而且可以大量节省人类的财富。
由上述讨论不难看出，现代结构工程学已经建立起系统的结构抗震理念。但是，这就一定能保证设计建造出抗震性能良好的建筑结构吗？现代结构工程师就能自如地应对各种地震问题吗？墨西哥著名的地震工程专家埃斯特瓦(L.Esteva)曾经指出：“(结构)抗震设计与其他工程设计相比，更容易陷入严格地但却盲目地应用最新的技术条款，而建造出的却是低劣的结构”[9]。由此可见，如果只去生搬硬套有关规范和算法，而不努力提高对结构抗震本质问题的认识，不形成深刻而系统的抗震设计理念，最终的结果可能将事与愿违。
3 我国古建筑的主要特点及抗震原理
从结构工程的角度来看，我国的古建筑具有一些非常典型的特点。体现在结构的抗震设计上主要有三点：一是“整体性(整体配合)”，二是“以柔克刚”，三是“积柔为刚”、“刚柔相济”。如果说结构的“整体性”思想主要表现在建筑的平面和立面的设计上，那么“以柔克刚”的思路往往体现在细部构造的处理上，而“积柔为刚”“刚柔相济”则是“整体配合”和“以柔克刚”等设计思想融合升华的结果。正是这些思想的有机结合，才产生了“四两拨千斤”的效果——我国的古代工匠借助极原始的木石砖瓦等材料，建造出许多结构灵巧而抗震性能极高的建筑。
(1)“整体性”结构的思路 从平面上看，我国的古建筑很少建造平面布局复杂的结构，一般都采用长宽比不大于2∶1的矩形或规则多边形。这种规则的平面布局，能够有效地抵御地震力。此外，古建筑常常是正中间的一间(明间)最大，两侧的次间和梢间则较小。这种主次分明的结构布局，对抵消地震扭矩的破坏作用非常有利。不难看出，这些思路与现代结构工程颇为相似，但时间则要早得多！
从立面上看，古建筑一般由台基、柱网、梁架和屋顶等构成。较高等级的房屋建筑，在梁柱和屋顶之间还设有“斗栱层”的结构。其中，台基基础是一种面积较大的整体式基础，基础顶部往往高于地面数尺。这种基础类似于现代结构工程的“筏式整体基础”，很像一个运载着船楼等上部结构的船体，在地震的“惊涛骇浪”中保持较高的稳定性。这不仅可以减小地震对上部结构的震荡冲击，而且能有效地避免建筑在底部出现剪切破坏(这种破坏对结构极为不利)。
柱网由一个个独立的柱子联合组成。建造时把柱脚立于柱础之上，底部与地袱等构件连接；柱顶则分别与阑额和横梁等构件连接，使整个结构形成一个闭合的空间体系。地袱、阑额和横梁类似于现代结构工程中的上下圈梁，能够有效地减小柱头和柱脚的移动，增强整个建筑的整体性。此外，在主要的梁柱之间往往还设有斜撑，这不仅可以进一步提高结构的整体性，而且可以大力提高整个建筑对地震水平冲击荷载往复作用的抵抗能力。
立面上的梁架结构，大多都采用抬梁式构架。这种构架就是在柱顶沿房屋进深的方向，架设数层叠架的梁。叠架的梁逐层缩短，形成下大上小的三角形屋架。这种构造方式经过大量地震的检验，证明其抗震性能良好。座落在梁架之上的屋顶，等级较高的大多为立体式的多坡面形状。此类屋顶在建造时大多需要较复杂的结构和大量构件，以便增加整个屋顶结构和构架的整体性。这种庞大的整体屋顶与下部的柱子群网紧密结合，进一步提高了整个建筑结构的抗震稳定性。
此外，古人早已认识到圆形或者接近圆形的结构构件，在诸多受力性能上要优于方形的构件(比如将直梁转化为圆拱，将平堤转化为拱坝等，都是很典型的例子)。为了增强结构的整体性，古建筑在主要的受力方向上，往往要修建成圆形或接近圆形的结构。如应县木塔的平面形状就是接近圆形的正八角形。这一高达65.8米的木塔，在近千年中经历了十余次强烈地震(其中至少有三次不低于8度)。强震曾经造成周围的房屋被毁坏殆尽，但木塔却安然无恙。
再如蓟县独乐寺的观音阁，在楼阁内的第三层设有六角形的木架空井，并通过斜撑与下层的方形空井连接，这种方圆结合的结构有效地加强了整个建筑的整体性。1000年来，独乐寺经历了多次地震的考验。1679年三河、平谷发生超过8级的强震，蓟县县城的官廨民舍无一幸存，高达23米的观音阁却屹立不圮，阁内高达16米的观音塑像也未见损伤。1976年唐山大地震时，京津震动，屹立千年的观音阁也受到严重的冲击；但除了阁中的大木柱略有错位之外，整个阁楼却安然无恙。由此不难看出其抗震性能之高超。
如果说“整体性”的思路在现代结构工程中同样得到了完整体现的话(虽然两者的体现方式不完全一样)，那么“以柔克刚”的思想在现代结构工程中就体现甚少，而建立在“以柔克刚”和“整体配合”基础之上的“积柔成刚”和“刚柔相济”的思想则更不多见。
我国的古建筑，大多都是借助木石和泥瓦等原始材料所建，根本没有现在的各种合金钢铝等高级材料。但是，正是在这些原始条件的支撑下，我国古代工匠结合“整体配合”创造了“以柔克刚”的结构体系，修建了许多抗震性能不亚于今天借助各种高级材料建造起来的建筑结构。
(2)“以柔克刚”的思想 “以柔克刚”思想的最主要体现之一是榫卯连接的大量使用。在木结构的垂直连接中，榫卯是一种极佳的连接方式。这种不用钉子的构件连接，充分利用了木材这种有机材料的特性(善于传递拉压力，具有一定的柔韧度，且允许出现某种永久变形等)，使传统的木石房屋建筑成为具有特殊柔性的结构体系。这种连接主要是通过勾连搭嵌的咬合作用实现节点抗力。榫钉的销栓作用、构件之间的摩擦，以及构件的相互咬合等，使节点具有一定的抵抗位移和转角的能力。在强地震的作用下，这种连接方式可以通过弹性变形甚至部分塑性变形来大量耗散地震传给结构的能量，从而大大减小了整个结构的地震响应。
“以柔克刚”思想另一个主要体现是斗栱层。在等级较高的古建筑中，一般都可以看到斗拱的存在。因为这种构件是由数层斗木加拱木叠合而成的斗拱来传力，可以起到类似“弹簧减震器”那样的作用，由此通过较大的弹性变形(并不出现局部破坏——这与“延性结构”不同)，来消耗地震传给上部房屋结构的巨大能量。经过实践检验，很多带有斗栱层的古建筑都能够较好地抵御强地震[10]。如应县木塔、蓟县独乐寺的观音阁，都是在周围其他没有斗栱的建筑受到严重破坏的情况下幸免于难的。此次四川地震，绵阳七曲山大庙的天尊殿等古建筑，也是因为斗拱层的存在而受损极微。这充分说明斗拱对结构抗震的良好作用。此外，斗栱层不但能起到减震作用，而且可以和其他水平构件(如横梁和檩条等)连接起来形成一个整体性很强的刚架结构，把地震荷载对上部结构的作用力传递给抗震能力较强的柱子，由此大大提高了整个结构的安全性。
当然，除上述结构方式之外，“以柔克刚”的思想还体现在许多细部构造中。例如，柱与柱础之间的浮摆式连接，以及梁柱与斜撑的镶嵌穿插等。由于这些连接对转角位移的约束较小，在结构上可归结为铰接点。这种节点的特点之一是不能传递弯矩——但却能很好地传递拉、压力，因此受到剪切破坏的可能性也大大减小(结构的剪切破坏多属较不利的脆性破坏)。
从上述各种细部构造的处理方法上，不难看出我国古代工匠对“以柔克刚”思想的深刻理解。应该说现代结构工程“延性抗震”的概念已经含有“以柔克刚”的思想了，但在“柔”的理解上还没有达到古人那样的高度(从下文中可以更好地看出这一点)。
(3)“积柔为刚”“刚柔相济”的思想 就“以柔克刚”的本质说，仅凭结构构件的“柔力”是无法与地震之强力抗衡的。只有成为“柔而不弱”“柔而不散”的建筑，才能最终达到“克刚”(抵抗地震)的目的。从“整体性”的本质说，必须造就“整而不僵”“强而不硬”之体，方可完整地实现“一动无不动”、协调一致的抗震目标。这就是一个“积柔为刚”的过程——通过细部之柔的有效积累，形成整体配合(协调一致)的效果，最终实现抵抗强力(地震)的目的。
举一个形象的例子可以较好地说明这一“积柔为刚”的过程：一个完整的皮囊在充满气之后，虽遇重锤之击却可安然无恙。皮囊为柔，空气为柔，但积足柔力而形成的整体之刚，却可以抗衡数倍于己之力的重锤——击打的结果往往是锤飞力散，而气囊毫发无损。
显然，这种通过“积柔为刚”达到的强大“刚性”，已非“僵硬”之刚、“脆猛”之刚，而是“刚中有柔”“柔中有刚”的“刚柔相济”之刚。研习过太极拳的人，可以更好地理解这种“积柔为刚”、“刚柔相济”的过程。太极拳的缓慢柔和练习，是为了最终练出整体高度协调、“刚柔相济”的高超技击能力。太极拳也由此被公认为各种武术中“以柔克刚”的最典范代表。
在我国的古建筑中，往往是通过榫卯连接、斗栱层等多种柔性构造的大量应用，再通过各种构件之间的紧密结合，最终形成了一个整体性极强、“刚柔相济”的建筑结构。这种结构能很好地抵抗强地震的“重锤之击”就不足为怪了。由此可见，通过建筑细部各种“柔力”的积累，形成整体配合的系统合力，最终可以达到灵巧多变、化解强力的抗震目的——这就是建筑结构“积柔为刚”“刚柔相济”的过程。
除了以上探讨的一些措施之外，我国历代工匠还采用许多其他方法来提高结构的抗震性能。如利用柱子的生起、侧脚及地袄连接等方法来尽力降低结构的重心，采用逐层内缩等方法使建筑的整体重心向内倾斜，以此增强结构的稳定性等。这些无不展现出古代工匠在建筑结构诸多问题上所具有的丰富经验和精深知识，而他们由此展示出的哲学智慧也令人叹为观止！
4 从古建筑抗震思想中得到的几点启发
结合一些典型的建筑实例，前文探讨了我国古代工匠在结构抗震方面的有关哲学思想，以及古今建筑在抗震思维上的差异。虽然许多客观条件已经大为不同(如建筑材料、计算能力等)，但古人的有关思想可以给今天的结构抗震很多启发，这些启发至少可以归纳为以下几点：
(1)化急为缓 通过各种构造措施，适度延缓结构变形和破坏的时间。包括尽量延长结构弹性变形的时间，避免出现瞬间完成的脆性破坏，以及适度设置延性破坏的构件来大量消耗地震能量，以此延缓结构破坏的时间等。古建筑中就有不少构件(如斗拱等)可以增大结构的弹性变形，从而大量消耗地震传给结构的能量。这对提高结构的抗震性能往往是必不可少的。
(2)化刚为柔 适度利用一些柔性结构构件来抵抗地震。现代结构设计在强调整体性的时候，往往过分注重各个构件的强度和刚度，而忽视了柔性结构的运用。“延性抗震”概念的提出，是对这种偏向的一种纠正，但它并未穷尽“柔性(结构)”的内涵。古人在结构许多细部的处理上，如榫卯连接方式和斗拱构造方法等，可以给人很多启发。借鉴这些方法，对提高今天各种建筑结构的抗震性能必将有所裨益。
(3)化面为体 力求结构或构件处于整体一致的受力状态。从单个构件上说，如果能将构件所受的弯矩、剪力或扭矩等转化为拉力或压力，那么结构构件就可以处于一种较有利的整体受力状态。而弯剪扭容易造成构件某个截面受力过大(即单面受力而不是整体受力)。古今各种拱形结构，以及现代的斜拉桥、悬索桥等，都是为了将弯剪扭力转化为拉压力，以充分发挥钢材、混凝土等材料的性能。从整体上说，注意各个构件之间的配合，协调一致、“刚柔相济”，可以大大地提高结构的抗震性能。
(4)化方为圆 注重利用圆形的结构构件来应对地震的作用。虽然方形结构使用起来较方便，但在材料耗费相同的情况下，圆形结构不仅建造的空间较大，而且在力学性能上大多要优于方形等其他结构。从结构抗震的角度看，由于地震方向是不确定的，结构平面为圆形的建筑更有利于形成均衡一致的力量来抵抗地震。此外，圆形物体的抗扭性能也较优越。西安的大、小雁塔，应县木塔就采用了近似圆形的平面形状，而蓟县独乐寺观音阁也采用了方圆结合的结构形式来加强抗震的能力等。因此，在结构上适度运用圆形构件，可以帮助提高结构的抗震性能。
限于篇幅和水平，很多古人的结构抗震思想本文未能涉及。做出以上归纳，权且抛砖引玉。
5 结语
自17世纪伽利略开创了建筑结构的定量计算先河起，现代土木工程已经走过了近四个世纪的历程。但是，不到400年的历史对于一个体系如此庞大的学科来说显然还是非常短暂的——土木工程在许多方面还很不成熟、有待完善。结构抗震领域就是其中一个很典型的例子。
在世界几千年的文明史上，古人在土木工程各领域(包括结构抗震)，曾经积累了丰富的经验和知识。如果因为今天的科学得到了高度发展，就轻视和贬低这些经验知识，那将是非常愚蠢的。西方医学史的一本权威著作曾指出：“西方有越来越多的声音要求回到西方医学传统的起源，同时也开始从东方医学传统中寻求另一种医学的智慧”[11]。医学如此，土木工程学亦难背此。
“化急为缓，化刚为柔，化面为体，化方为圆”，仅是笔者的几点管窥之见而已。古人在建筑结构(包括抗震)方面留下的哲学思想还有很多，如“天人合一”“辨方正位”和“相形取胜”等。困于现有条件，笔者未能成志深究——愿能得天助而成精研之夙愿！