常言道,一物降一物,世间万物都有天敌,而建筑物的克星就是我们熟知的地震。无论是日本福岛核电站泄漏,还是造成了二十多万人死亡的海地大海啸,这背后的成因都是地震。但是在中国,有这么一座建筑经历200多次地震灾害屹立不倒,能硬扛10.1级大地震,它就是北京的故宫。
十级地震究竟是什么概念?故宫为什么可以无视地震的伤害?这个问题最初在英国电视台第四频道制作的纪录片里被提出来,在做故宫建筑模型抗震测试前,英国摄制组曾经做过一些欧洲古代建筑模型的抗震试验,但是这些砖石结构模型的结局都是坍塌,最后他们打算试验一下中国古建筑能不能承受这次考验。制作组请到了故宫博物院研究馆员周乾博士,制作了一个标准故宫建筑模型。
测试开始前,参与拍摄该节目的专家理查德和周乾打了个赌,理查德认为故宫建筑模型肯定会被轻松震垮。起初施加三级到四级地震时,模型只是在试验台上轻微晃动,随着地震烈度的不断增加,模型晃动的幅度增大,两侧的砖石墙体纷纷垮塌,强度逐渐增加,模型的晃动幅度也越来越大。最终到10.1级地震强度时,地震的强度已超过人类历史记录的最大值,震动制造机也已达到工作极限。
然而在如此剧烈的晃动下,故宫模型仍然保持稳定摇晃,并且在地震停止后基本能够恢复到初始状态,建筑整体屹立不倒,只有立柱发生了轻微的位移。理查德称,这次试验过程中,古建筑模型像揉太极球一样,把地震施加的力一点点的化解,就像中国太极功夫中的以柔克刚。
那故宫模型表现出的超级抵抗力到底靠的是什么?这其实归功于古代工匠的隔震理念,也就是利用建筑结构减小地震造成的伤害。中国是世界上最早将其应用到建筑中的国家。故宫建筑的设计、建造充分考虑了抗震的需求,采用了多项隔震技术。
比如建筑隔震,就是在建筑的一些地方设置可以运动的装置,地震发生的时候,这些装置会在自己的区域内不断运动,来耗散、吸收部分地震能量。从而减轻地震对建筑的损害。在故宫古建筑里面,这些可以运动的装置就是我国的第五大发明,榫卯结构。
故宫古建筑的梁与柱采用榫卯连接,一端做成榫头形式,插入事先设计好大小的卯口中,地震发生时,榫头会与卯口不断地脱离又连接。形成拔榫现象,即榫头从卯口拔出,但是它们两个没有脱离控制,因为榫头始终搭在卯口的位置,整个建筑的建构没有发生变化,这就是故宫建筑利用摩擦减震的方法。
工匠们在筑顶上设立斗拱,而斗拱主要由坐、拱、翘、伸等小构架由下至上层层叠加而成。地震发生时,这些细小构件之间相互挤压错动,可以轻轻松松耗散大量地震的能量,并且能让建筑晃动一次的时间变长,产生隔震的效果。而地震结束后,这些小构件基本能恢复到初始位置,整个建筑完好无损。
此外,故宫屋子里面的天花板上吊着许多沉重的宫灯,它们在地震发生时能像摆球一样来回晃动,运动方向永远和建筑物晃动的方向相反,这样一来就减少了建筑的运动。此外,厚重的屋顶在外力作用下也会晃晃悠悠的往复摇摆,他们两个强强联手,起到了很好的隔震效果。与此同时,周乾又发现了一个故宫抗震“黑科技”,那就是故宫的根柱。
它们之所以在地震发生时会产生轻微位移,是因为根柱根本没有插入地底下,而是直接摆在了柱顶石里,就是柱子底下。那块圆形石槽,在地震作用下,柱根在柱顶石里往复运动产生的摩擦力也可以削弱地震的力量。如果柱子不是放在柱顶石上,而是插入地基中,反而会因为消解不了地震的能量而断裂。
同时,立柱的角度也有着看不见的讲究。我们肉眼看到的立柱,通常会以为它是垂直地面向上的,但其实是每根立柱有轻微的倾斜。总体来看呈现向内收拢的形式,和屋顶一起形成了一个稳固的三角形,无疑也是又给建筑上了一层保险,这也就是为什么实验中的故宫模型会发生位移的原因。当然了,大家还会发现,故宫的地面经历了这么多次地震,竟然也没有发生大规模损坏,这又是什么原因呢?难不成地下也埋藏着一套抗震系统。
直到工人们挖开了地砖,一切终于水落石出。原来工匠们发现在第一层地砖下面还有其他地砖,将第二层地砖取出后,震惊地发现地下竟还有地砖。就这样,在众目睽睽之下,工匠一共取出了十五层地砖,这些可全都是货真价实的京砖,每一块都由专门的砖窑生产,上面刻着制造的产地、年份,方便砖头出现问题的时候追究责任。制作工序极为复杂,而且历时很久,它们的珍贵程度与金子差不多,所以也被称为金砖。
一块金砖从取土到制作完成,足足需要七百二十天时间,也就是差不多两年。而整个故宫用了整整八千块京砖。足足扑了十五层,抵抗地震的效果可想而知。而且在这层层金砖地下是一层沙土、一层碎石的地基,这简直就是一块吸收地震冲击波的海绵。层层沙土会一点一点的削弱地震的威力,这又是一项抗震的古代“黑科技”。
除了紫禁城在中国还有年代更久远的抗震偶建筑,他们均体现了中国古代工匠的超前智慧。比如世界三大奇塔之一的应县木塔,传说中经历地震不倒,面对战火不毁,遭遇雷击不焚,它的构造体现了斗拱的精妙,是中国建筑史上最具价值的标本。
而晋祠圣母殿是晋祠中现存最古老的建筑,也是北宋木构建筑的典型作品,宋代建筑工匠们研究出来的,斗拱结构和形制的变化,在它的身上全都表现出来了。纯木建造的万荣飞云楼,被誉为中华第一木楼,整座建筑大大小小的接口全部应用的是榫卯嵌套技术,他和应县木塔一起被誉为南楼北塔,而这只是我国古代工匠智慧的小小缩影。
类似的抗震古建筑,整个故宫有一千两百座,成为了世界上现存规模最大、保存最完整的古代木构建筑群。我们用现代实验总结出故宫抗震的原理,然而其中所蕴含的智慧,早已在历史的无数次考验中大获全胜。
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