不同於西方磚石建築體系，中國古代建築採用土木作為主要建築材料，形成了獨一無二的木構架建築體系。中國傳統木構架建築的修建，先在臺基上立柱，在立柱上架橫樑，最後在橫樑上鋪設屋頂。屋頂重量由梁傳給柱子，再由柱子傳到地面。柱子之間的牆壁，無論是土、石或磚，都不承重。因此地震來襲時，即使牆倒了，只要柔性連線的木構架不發生斷裂，整個建築就不會倒塌，體現出了以柔克剛的文化內涵。“牆倒屋不塌”就是民間對木構架建築優越抗震效能的生動描述。那麼，承擔房屋全部重量的木構架是如何構成併發揮抗震作用的呢？這就需要從古代建築三段式結構的角度來分析。
北宋建築工匠喻皓在其著作《木經》中記載 :“凡屋有三分 , 自梁以上為上分 ; 地以上為中分 ; 階為下分。”中國古代建築以大屋頂、木構架、高臺基著稱於世，形成了“天覆地載，中流砥柱”的結構形式。
上分——天覆·大屋頂
“屋”字最初是指上蓋或者屋蓋的意思，後來發展為以它來代表整座房間，可見人們很早就對屋頂給予了充分的重視。除了保護牆體、增大建築體量和標示等級外，屋頂在穩固建築、傳遞載荷、提高房屋抗震性方面，也起到了舉足輕重的作用。
屋頂由屋面和木樑架兩部分組成，木樑架由支撐屋面的椽子和平鋪在椽子上、用於承託瓦件的望板組成，屋面則包括瓦件和吻獸。木樑架裝好後，鋪上抹好灰泥的草蓆作為底層，之後鋪設屋面材料，整個屋頂就形成了。屋頂的體量在單座建築中佔很大比例，甚至可達到立面高度的一半。同時，屋頂重量還很重，整個建築的絕大部分重量即在於此。又大又重的屋頂放置於屋身之上，看似對屋身造成了巨大的壓力，同時又增加了地震時的慣性，對整個木構架來說甚至是一種破壞力，但這種破壞力卻產生了兩方面的積極作用：靜止時，這種力使屋身原本相對鬆散的木構件之間的摩擦力和阻尼得到增加，彼此連線更加密合，木構架呈現出更加穩定牢固的狀態，可謂“壓得穩”；地震來襲時，厚重的大屋頂憑藉自身的重量有效約束了屋身木構架的位移範圍和強度，使之具備抵抗一定由地震產生的側向載荷與側向變形的能力，房屋的整體性和穩定性得以增強，可謂“鎮得住”。由此可見，大屋頂對於提高木構架建築抗震效能的重要作用。
中分——中流砥柱·木構架
屋身為中分，是指建築整個木構架部分，由柱、梁、檁、枋等構件組合而成，有多種不同組合形式。
最簡單的木構架結構由4根立柱支撐，柱上架樑，樑上搭檁，樑柱之間用枋連線，上一梁較下一梁短，層層相疊，逐漸縮短，最終形成由一根獨立短柱支撐檁條的結構，構成整體木構架。以清式木構架建築為例，一座完整的建築物由種類及數量眾多的木構件組成，它們之間彼此的結合方式有平行結合、垂直結合和成角結合，每個結合點就是一個節點，這些節點是木構架的重要關節，它們彼此連線，架構起整個體系。而一旦關節之間失去聯絡，木構架便會散架，大廈也將傾覆。因此，處理好節點之間的連線，對於建築物的安全和穩固至關重要。根據以上3種構件結合方式，木構架建築的主要節點有柱下節點、柱頭節點、柱身節點、梁檁節點。
左右滑動檢視木構架結構示意圖
柱下節點是指柱腳部位的各構件連線。柱頭節點由柱、梁、枋、檁和斗拱等構件組成，是木構架最主要、最關鍵的節點，各方向的荷載集中於此，並都經此節點傳到柱礎。柱身節點是柱與梁、枋等構件的榫結合點。在清代小式建築和民居中，桁檁直接擱置在梁頭上，形成梁檁節點。以上各節點以榫卯形式連線，木構件之間透過彼此咬合的凹凸結構連線起來，使木構架既能承受載荷，又具有一定的變形空間。當地震來襲時，節點之間會透過自身的變形和滑移來吸收和消解部分地震能量，因此儘管木構架發生大幅度搖晃，但只要節點之間仍然保持連線，木構架就會出現“晃而不散、搖而不倒”的現象。當地震波消失後，整個木構架甚至能恢復原狀。因此，地震即使導致磚石結構的牆體倒塌，柔性連線的木構架仍能挺立不倒，這體現出木構架建築剛柔並濟、以柔克剛的結構特點。
左右滑動檢視依次為柱下節點實物、柱頭節點實物、柱身節點實物、梁檁節點實物
（中國科學技術館館藏展品）
下分——地載·高臺基
作為建築物的基礎，臺基是建築物立面構成的三大組成要素之一，一方面為立面提供了堅實的基座，另一方面也減輕了龐大屋頂帶來的頭重腳輕的感覺，大大提高了建築立面的穩定性。
臺基是原始穴居發展為地面建築之後出現的，人們為了防止木質建築受潮，確保建築地基穩固，便將鬆土夯實，形成的方形土臺便成為建造房屋的基礎，這就是最初的臺基。臺基是從夯土地基發展起來的，目前最早的夯土地基實物出現於新石器時代晚期，周朝出現的高臺建築是臺基發展的頂峰。自此，它的使用自統治階級擴大到民間，成為所有古代建築物不可或缺的組成部分，並逐漸演變為等級制度的標尺。低等級建築的臺基為單層，高等級建築的臺基最多為3層。大約自南北朝起，依據使用功能的外形，臺基被分為普通臺基和須彌座臺基兩大類。須彌座，又名金剛座，是安放佛像或菩薩像的臺座。須彌座臺基由此演變而來，用於宮殿、壇廟等高等級建築，以顯示宮殿主人至高無上的地位和權威。
唐大明宮含元殿臺基（大明宮遺址公園官網）
臺基的平面尺寸大於木構架的柱網平面，為防止屋簷滴水到臺基上，又略小於屋頂的平面投影面積，推進去的部分被稱為“回水”。
除了建築防潮保護之外，臺基對於房屋木構架所起的作用，在於對木柱的承託。建房要立柱，早期的柱腳埋在土裡，後來逐漸上升到地面。柱腳下端放礎石，形成柱礎，柱柱皆有，無一例外。柱礎的作用，一是利用礎石將木柱與地坪隔離，防止柱根因受潮而糟朽破壞；二是高於地面礎石的斷面比木柱面積大，而臥於臺基中的礎下方石面積更是木柱直徑的兩倍左右，這便將柱子本身承受的縱向載荷透過面積逐漸增大的柱礎均勻地傳遞給臺基，完成建築的傳力過程；三是無論小型建築將木柱榫接入柱礎，還是大型建築把木柱“平擺浮擱”在柱礎之上（所謂“平擺浮擱”即為沒有任何結構連線措施，只是把立柱放在柱礎之上），地震來襲時，木構架晃動致使木柱底端出現滑動或位移，柱子偏離柱礎中心，甚至滑落到臺基上，但整個木構架卻依然可以屹立不倒，達到了“滑移隔震”的效果。所謂“隔震”，就是在建築基礎部位安放可運動裝置，地震發生時，透過裝置的運動來吸收和耗散地震能量，並錯開地震波的頻率，從而減輕地震對建築的損害。在這裡，“平擺浮擱”的立柱相當於可運動裝置，在地震作用下柱根在柱礎上往復滑動，消減了地震能量，產生了“滑移隔震”的效果，有效保護了木構架。綜觀中外，中國是世界上最早將隔震理念應用於建築的國家。
中國傳統木構架建築以木柱承重，土牆僅僅起到分隔房間的作用，不參與承重。木構架依靠榫卯連線，彼此之間有一定間隙，構成了一個富有彈性的框架。地震時，這種結構依靠變形來耗散一部分能量，因此抗震能力強。這正是中國古代建築在地震中“土崩木未解，牆倒屋不塌”的原因所在。
- 作者資訊 -
王爽，中國科學技術館助理研究員。
研究方向：展覽設計。
發表作品：《中國古代度量衡在科技館中的互動展示探索——以“古今長度單位對比”展項為例》《科技與文化融合在當前科技館的實踐與思考——以中國科技館古代科技展覽為例》研究論文；參與《榫卯的魅力》《華夏之光——中國古代科技史話》《華夏之光——中國古代建築》《華夏之光——中國古代數學》《“做一天馬可·波羅：發現絲綢之路的智慧”》《“絲綢之路”兒童歷史百科繪本》等圖書的編寫工作。
排版 | 弢弢
稽核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 隕石
文章來源於《科研成果與傳播》雜誌
文章未經授權，請勿轉載。
免責宣告：本文內容僅代表作者個人觀點，不代表平臺立場，歡迎大家在評論區討論。
- 《科研成果與傳播》-
《科研成果與傳播》
期刊旨在以創新的理念、科普的思維傳遞有價值的科技內容，激發創新潛能，服務廣大科技工作者和科學傳播工作者的資訊採擷需求，推動跨界科研創新和科學傳播發展。
本刊誠摯徵稿，來稿可以科技資訊、科技人物、科技產品、科學事件、科研成果為切入點進行介紹，可以科學傳播的實踐經驗為核心展開論述，也可著眼科學傳播研究進行探討與辨析。
投稿郵箱：[email protected]
