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地震古建筑不倒,越古老 越抗震?

在芦山地震通报会上,雅安市副市长介绍,地震导致全市各县(区)多处房屋严重受损,然而地震中也有奇迹:震中一座百年老宅巍然屹立,堪称“屋坚强”。坐落于芦山县龙门乡古城村山脚下的张家大院,7户张姓人家震后生活照常,除了屋脊脱落几块瓦片外,在地震中几乎毫发未伤。[详细]

“墙倒屋不塌”的误导

2013-04-23 15:50:45 |

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  “墙倒屋不塌”的误导

  ——中国古建筑抗震性能辨析

  引子

  “墙倒屋不塌”是古建行当通行的谚语,意思是说在遭遇强烈地震的时候,古建筑的墙壁倒塌了,但木构屋架依然屹立。言外之意,是对其“抗震性能”的标榜。

  2008年5月12日,四川省汶川县发生8.0级地震,波及甘肃、陕西、重庆、云南、山西、湖北等多个省市,“对众多珍贵的文化遗产造成了前所未有的破坏”[1]。震后,有关以“墙倒屋不塌”为标志的中国古建筑“抗震性能”的探讨成为一个热门话题。

  回顾以往,关于中国古建筑的抗震性能,《中国古代建筑史》认为中国古建筑的“木构架结构由于木材具有的特性,而构架的节点所用斗拱和榫卯又都有若干伸缩余地,因而在一定限度内(着重号)可减少由地震对这种构架所引起的危害”,“有减少地震危害的可能性”(着重号)[2]。这个认识无疑是客观且符合实际的。

  而《中国建筑史》(第四版)则认为,中国古代的“木架建筑是由柱、梁、檩、枋等构件形成框架来承受屋面、楼面的荷载以及风力、地震力的,墙并不承重,只起围蔽、分隔和稳定柱子的作用,因此民间有‘墙倒屋不塌’之谚。”“木构架的组成采用榫卯结合,木材本身具有的柔性加上榫卯节点有一定程度的可活动性,使整个木构架在消减地震力的破坏方面具备很大的潜力,许多经受过大地震的著名木架建筑如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县佛宫寺塔都能完好地保存至今,就是有力的证明。”因此,可以认为中国木结构建筑体系“有较强(着重号)的抗震性能”[3]。显然比《中国古代建筑史》的认识更为乐观。

  需要提起注意的是,笔者在教学、研究中发现,这段论述很可能引发以偏概全的逻辑错误,以为中国古建筑的木结构体系都是抗震的①。因为该书简单枚举的“许多”像天津蓟县独乐寺观音阁那样经受过多次大地震的考验的实例,都不过是一些特别的个案;这样的个案只能证明那些建筑自身具有一定的抗震性能。而如王士祯《居易录》“己未(康熙十八年,1679年)地震,官廨民舍无一存,独〔观音〕阁不圮”所载,反例的数量要远远超过这些特别的个案,并且会占到压倒性的绝对多数,这些特别的个案不过是小概率事件而已。在汶川地震中被发现的甘肃文县碧口镇的“最牛民房”则是一个典型的现代版本。从逻辑上讲,从个案得不出普遍结论。某幢建筑在地震中没有倒塌的事实,并不能证明它所属的整个结构体系都是抗震的②。

  对中国古建筑抗震性能评价最高的是《中国古代建筑技术史》。“各国研究抗震建筑,追求的最高目标是按9度设防,我国古代传统木构架建筑,一般都可以基本上(着重号)达到这个目标,这不能不说是我国古代应用科学方面的一项惊人成就。”[4]显然,这一判断缺乏事实和科学依据,甚至有违常识。

  此外,在民族主义情绪的鼓舞下,以“墙倒屋不塌”证明中国古建筑的抗震性能优于西方古建筑的论调不绝于耳。如西方用“石头、砖块垒起的建筑,地震一震全都(着重号)垮了”,而中国古建筑在“地震发生时,不会(着重号)压死人。相比西方的石头堆砌,显然不可同日而语。这就是为什么中国的建筑远比西方的建筑寿命长久的奥秘所在”[5]。这不啻为痴人说梦。

  同时,与“墙倒屋不塌”伴随而来的,还有对现代建筑抗震能力的质疑。如“有些(着重号)古老的木构建筑,在受到意外的自然灾害时,却显示出比一般的(着重号)砖结构、混凝土结构的房屋,有更强的抵抗能力。例如,许多现代的高楼大厦,因经受不住地震的袭击而倒塌,但传统的木构建筑则不然,有的在历史上经受了数十次地震的袭击,却依然如故……由此,确实可以确认,它在技术上也达到了相当高的水平。”[6]以没有倒塌的古建筑和倒塌的现代建筑(既可能因为未做抗震设防,也可能因为是“豆腐渣工程”)作对照,来证明中国古建筑的抗震优势,这是没有道理的。因为它只挑选对自己有利的案例加以解释,而有意无意地忽视不利的案例,所以其结论不能成立。

  以上列举的除《中国古代建筑史》之外的种种关于中国古建筑抗震性能的不够严谨甚至近乎荒谬的论断,其产生的原因,在宏观方面是中国建筑史研究中的民族主义基调,在微观方面则要归咎于“墙倒屋不塌”这句谚语带给人们的先入为主的思维定式,误导了学术研究的方向。以下,笔者试就如何正确认识中国古建筑的抗震性能作简要辨析。

  一 “墙倒屋不塌”的实质是 “报喜不报忧”

  如果按“墙倒屋不塌”的“标准”,把古建筑划分为“墙”和“屋”两部分,把损毁程度划分为“倒(塌)”和“不倒(不塌)”两种情况,对古建筑在地震后遗存的状况做大致描述,可以得到四种排列组合,即“墙倒屋塌”、“墙倒屋不塌”、“墙不倒屋塌”和“墙不倒屋不塌”③。在某次地震后,这四种遗存状况各占多少比例,是很难有可靠的统计资料的。不过,可以肯定的是,“墙倒屋不塌”只是古建筑震后遗存状况中的一种,当然是比较“成功”的一种。

  从心理学上说,人们通常倾向于记住特殊的、成功的个案,并把它们当成规律性的事件,而无意中忽略了其发生的概率究竟会有多大。“墙倒屋不塌”这一谚语的制造者和传播者,正是利用了人们的这种心理,刻意标榜其“成功”的一面,从而掩盖墙倒屋塌的失败。

  说好听的话、说爱听的话、报喜不报忧、一好遮百丑等等,都是中国传统文化积淀的陋习,其实质是不敢直面缺点和错误。这在学术研究中,是要坚决摒弃的。

  二 薄弱的榫卯及其“可活动性”

  几乎众口一词的是中国古建筑的抗震性能很大一部分要归因于榫卯连接的“可活动性”。

  事实上,越是精妙的榫卯,就越会把木构件的连接部位搞得“千疮百孔”、“孤立无援”,破坏了木材原有的力学特性,而这些构件的连接部位往往都是受力的关键部位。以清式建筑为例,角柱、中柱、瓜柱、老角梁、递角梁、踩步金、搭交箍头枋、搭交平板枋、搭交檩等构件的连接部位都非常薄弱、受力不合理。

  《中国古建筑木作营造技术》[7]对常见榫卯做过一些简要的受力分析④:

  燕尾榫(黑体字) 凡是枋或随梁一类构件几乎都使用燕尾榫……当屋面荷载过大、檩子(或梁)弯曲时,其下的枋或随梁也会随之弯曲。枋两端的榫子,此时受到两个方向的力,一是剪切力、一是拉力。这两种力都会作用在燕尾榫根部,这样,就要求榫子根部要保证足够的断面,才能符合受力要求。但是木结构在满足这方面要求的〔确〕是有困难的,枋(或随梁)与柱头相交的榫过大、过厚,会使柱头卯口过大、过深,影响柱头的整体性,消弱柱头承受各种外力的能力。因此,在考虑燕尾榫断面大小时,还必须兼顾到柱头的整体性问题。——无疑,这是一个两难的选择。

  半榫(黑体字) 多用于中柱,山柱两侧插梁的后尾,它主要受剪切力和拉力,但是它的构造却决定了,这种榫卯几乎没有拉结功能,如果要使它具有拉结功能,必须加辅助构件,这就是常常伴随半榫节点而出现的雀替和替木。——添加雀替或替木虽然可以在一定程度上解决半榫的拉结问题,但同时却带来柱头卯口过大的新问题。

  十字卡腰榫(黑体字) 用于搭交檐檩、搭交金檩、搭交挑檐檩等。各种搭交檩子,节点处所受的力主要是拉力。来自两个方向的檩木扣搭相交后,节点处的断面要损失3/4左右,仅剩下约1/4(着重号)。在一般情况下是没有大问题的。但当受到地震等较大外力作用时,则有时出现节点榫子被拉断的现象。——与此相类的还有十字刻半榫、箍头榫(黑体字)等,很难想象这样的榫卯连接方式在“设计时就考虑到了抗震”[5]。

  难能可贵的是该书作者并未拘泥于实践经验,而是指出这些分析“仅是对榫卯受力情况以及功能做大致分析,至于榫卯节点的结构分析,则需要另外深入研究并进行节点试验。”[7]与“所有构件的(榫卯)节点都是绞结”[5]之类的信口开河相比,这才是科学的态度。

  笔者曾经参加过独乐寺观音阁的测绘及研究,发现其中的叉柱造也是极不合理的一种榫卯连接。所谓叉柱造是将上层的柱根劈成四瓣,插入下层铺作。看似构思精巧,但经过地震的晃动,几乎所有叉柱造的柱根都被劈裂,基本无法修复,加固难度也很高。与其相类的,还有清式建筑的灯笼榫、套顶榫等。

  有古建筑结构模型静力实验发现,“木结构受力破坏的过程,基本上是节点破坏的过程,材料并未达到塑性,可称之为结构破坏”。在这个实验中“结构破坏主要是由于边排立柱两端连接较弱,发生脱卯,结构整体性削弱引起的。”因此采取抗震措施的关键之一是“加强各构件之间的连接,提高结构刚度充分发挥材料的力学性能,使结构最终达到材料破坏”[8] 。这个实验一方面印证了榫卯是木结构体系中的薄弱环节,是产生结构破坏的根本原因;另一方面它提出的补救措施实际上等于否定了榫卯“可活动性”的意义。

  笔者认为,因为缺乏与其他结构和节点形式的比较研究,这个实验得出的“(木)结构在受极限荷载前……具有较大的韧性和抗震性能”[8]的结论说明不了任何问题。因为任何结构在达到其极限荷载前都可以表现出一定的抗震性能。只有将不同结构所能承受的极限荷载的大小进行比较,才能证明不同结构之间的优劣;同样,只有将不同结构的结构破坏与材料破坏的先后顺序进行比较,才能证明不同节点之间的优劣。

  另一项实验研究的结果表明“古建筑因柱根滑移而隔震”[8]。殊不知讲究的柱顶石或管脚、或插扦、或套顶,即便不做榫卯,也要将柱顶盘与柱根的接触面凿毛,以增大摩擦,其目的恰恰是为了防止柱根产生滑移。

  事实上,榫卯结构的“可活动性”不过是一种无奈,并非古人有意为之,相反却是要尽力避免的。这一点还可以从古代家具的制作中得到佐证⑤。

  众所周知,明清家具多用材质坚硬的“硬木”制作,除了木纹美观的因素外,更因为坚硬的木质配合鱼鳔等粘接剂,可以保证家具的榫卯连接牢固而不可活动。因此,榫卯的有效性基本上取决于木料本身的质地、强度。换个角度试想,如果中国古人找到了一个不用榫卯就能做出(接近)刚性连接办法的话,当然也就没有必要追求用硬木来制作家具了。由此看来,中国人沾沾自喜的榫卯连接,其实不过是靠天吃饭的本事。

  中国古人建房时,也会在可能的条件下尽量使用名贵木材。可以认为,这种做法一方面要尽可能发挥其材质的力学特性;另一方面也说明古人追求房屋的坚固,并不希望榫卯连接有“可活动性”。从中国古代的科学技术水平来看,无法想象中国古人会以房屋可能在非地震外力下造成形变为代价,预留出榫卯连接一定的“可活动性”达到抗震;更无法想象古人可以精确地控制房屋只在达到一定的地震裂度时才发生形变。他们所能做的就是力所能及地使房屋更加坚固。

  换句话说,中国古人无非是用制作家具的办法来造房子。所以建造宫殿就要疯狂地砍伐楠木等名贵木材。用不了好木头的房屋,就只能任其衰朽。榫卯连接更多是不得已而为之,无法肯定这种“柔性”连接是一种有目的的抗震方式。

  三 斗拱“抗震性能”的悖论

  《中国古代建筑技术史》记载,“对海城地震区寺庙建筑的震害调查表明,有斗拱的建筑震害较轻,无斗拱的建筑震害较重。”有实例如“山西襄汾寿圣寺碑记元大德七年地震‘此寺僧房廊房厨房一无所有,惟楼殿幸蒙孑存’。”该书认为,其原因是“佛寺建筑的一般格局是楼殿为主体,多有斗拱,标准较高,僧房廊房厨房等次要建筑,一般无斗拱,受震以后‘一无所有’。而楼殿却能‘孑存’,说明斗拱能起部分抗震作用”[4]。

  从逻辑上讲,相关的事件不等于有因果关系。因此可以说,在未做出科学的比较之前,并不能想当然地认为古建筑是否被破坏与是其否带斗拱可以构成必然的因果关系。这一结论显然没有考虑主要殿堂与低等级附属建筑在建筑用材、结构选型、建筑质量、维修保养等其他方面的区别,因而“斗拱能起部分抗震作用”的结论并不一定能够成立。

  尽管有试验结果表明“斗拱因弹塑性变形和摩擦滑移消耗掉大量地震能,减轻了结构震害”[8],但这种先入为主的研究,因为缺乏比较,仍无法证明带斗拱建筑的抗震性能优于其他形式(如不带斗拱的建筑、三角屋架等)。显然,这样的研究说服力不足。

  关于斗拱“抗震性能”的探讨存在着一个悖论。即,如果中国古人确实认识到斗拱有较强的抗震作用的话,那么就不应该出现明清以来斗拱结构机能的减退的现象。而如果以明清时期梁柱构架的整体性得到加强来做解答,只能进一步证明古人在实践中发现,斗拱的抗震性能有限,还是提高结构的整体性更为有利。当然,笔者无法证实这种“改进”是古人针对抗震而有意为之的。

  四 子虚乌有的“柔性”抗震智慧

  柔性结构的抗震优势,现代建筑已经有明确的研究。由前文的分析可知,榫卯、斗拱的抗震性能并不确定,因此,以榫卯、斗拱的“柔性”来论证中国古建筑的木结构包含着“以柔克刚”的抗震智慧的做法,无非是想攀上现代建筑的“高枝”。

  当然,不可否认的是在中国“传统的建筑技法当中,包含着抗震、防震的作用”[4]。以独乐寺观音阁为例,根据罗哲文先生的总结主要有以下八点:“一、基础坚实匀称;二、梁架用材尺度得当;三、柱网布置谨严一体;四、双层套框式梁柱构架;五、柱子侧脚、生起的稳定作用;六、不同形式井口的配置;七、暗层内斜撑构件的增加;八、榫卯结合严实,紧而不固”⑥。

  其中第一、二、三、四、五、八点都是建造房屋的基本要求,可以说,所有建筑都可能或本应做到,其目的在于使房屋稳定、坚固,当然也能在一定程度上起到抗震、防震的作用。只有第六、七点是观音阁所特有的构造措施,其目的是加强结构的整体空间刚度,这样的措施当然会有利于抗震,但却明显与“以柔克刚”的“抗震智慧”背道而驰。

  《中国古代建筑技术史》认为像独乐寺观音阁那样的一些“尺度较高,体量较大的建筑物……重心较高,自重较大……其抗震能力反而较高,这雄辩地证明了我国古代建筑在抗震防震技术方面是有着高度的成就和重大的贡献的。”[4]由以上分析可知,这些建筑“抗震”的奥妙其实在于建筑等级较高,由此导致用材和结构选型较好,施工质量也较高,以及采取了加强整体空间刚度的特殊构造措施。这些“奥妙”并不是所有古建筑都具备的,所以《古建筑木结构维护与加固技术规范》才会规定明确的抗震加固要求,以提高建筑物的整体刚度[9]。

  同理,所谓中国古建筑“刚柔相济”的抗震原理,也是不能成立的。因为被总结出来的古建筑抗震经验及加固要求都是在加强刚性、克服柔性,与“建筑物的抗震主要是增强建筑物的整体空间刚度”[4]的基本原则是一致的。

  最为重要的是,中国古建筑主要是通过预留大量的冗余来保证结构安全的。这种做法经验有余而科学不足。

  五 “天遣”与“顺应自然”

  汶川地震后,一位擅长历史文化名城保护的专家在一次讲座中谈到:“前人是以百年的胸襟来建造未来的家园的,因此,在建房之初,便考虑到中国地震多发的国情。”他还回顾1996年丽江地震时曾经说过:“丽江的房子都是老房子,我们中国建的老房子有很大的特点,叫墙倒柱不倒,都是木结构体系,设计时就考虑到了抗震。”[5]然而,事实却是无情的。据云南防震减灾网公布的“云南大震震害资料”,当年2月3日的丽江,在“地震中破坏最严重的是民族土木结构房屋,砖木结构房屋次之,砖混与框架结构房屋相对较轻,按八度设防且施工质量好的房屋,震后基本完好或仅有轻微破坏。”[10]

  与高谈阔论的专家不同,中国古人缺乏基本的地震知识,认为地震是不可预测的“天遣”,根本不知道这是一种自然现象,更不可能对地震发生的原理、特性等问题有科学认识。无法想象中国古人会放弃“顺应自然”的思维方式,而去“逆天行道”。应当老老实实地承认:“古代匠师和劳动人民在设计和建造建筑物的时候,一般情况下当然不一定都能有意识地考虑抗震、防震。”[4]根本没有必要犹抱琵琶半遮面地说:“我国古代建筑抗震方面虽有不少成就和宝贵经验,但是未能上升到理论,有些经验未能得到总结和推广,有的早已失传,因而有些建筑物在抗震性能方面存在不足之处。”[4]

  《中国古代建筑技术史》[4]列举了3项“宝贵经验”,即故宫经验、西昌经验和礼县经验:

  康熙十八年三河地震,北京故宫翊坤宫、承乾宫琉璃砖影壁震毁,震后议修复,有司奏准“停止琉璃砖修建,改为木影壁”。

  “道光三十年〔西昌〕地动,庙宇房屋一概倒塌,打死者数千人,以后经查,惟有装修架板壁房屋,保全性命者略略多也。”厚重的土墙易倒塌,隔扇装修板壁或其他轻质墙不易倒塌,这在多震地区已是传统的抗震经验和最常见的做法……当地群众总结建筑抗震经验教训,有“枋加栓,墙筑半”的口诀。

  甘肃礼县群众总结民居建筑的抗震经验,也有一句很好的口诀:“台子要高,架子要低,进深要大,开间要窄”。(换字体)

  除礼县经验尚有价值外,故宫经验和西昌经验是典型的逆来顺受、因噎废食之举,实在令人难以恭维。需要注意的是这3项都是震后重建经验,而非主动设防经验。此外,也不能认为西昌在震前即“装修架板壁”的房屋是主动设防,因为那在当时看来也不过是凑巧而已。

  六 统计数字揭示出的真相

  除前述云南防震减灾网公布的1996年2月3日的丽江地震震害资料外,1995年6月30日、7月10日、7月12日连续发生3次的孟连地震也表现出相似的结果:“震区房屋结构主要有:穿斗木结构轻质房、土木结构、砖木结构、砖混结构及钢筋混凝土框架房。土木、砖木结构房屋占震区房屋总面积的85%以上,曾多次遭受邻区地震波及,这次又经三个地震的叠加作用,破坏和内伤十分严重。1988年澜沧-耿马大地震后,按八度设防兴建的砖混、框架结构房屋抗震性能较好,地震中仍有不同程度破坏。”[11]

  据新华网报道2007年6月3日云南普洱市发生6.4级地震,震区“城乡房屋受损严重,土木结构房屋墙体普遍倒塌,砖混结构房屋普遍出现墙体开裂。”[12]

  有江苏省抗震救灾专家对汶川地震震后绵竹市房屋震损情况(未包括已经倒塌的建筑)做了统计,结论是:“钢结构的抗震性能很好,框架结构次之,底框结构再次之,砖混结构再次之,砖木结构抗震性能最差”。根据统计图的数据,在没有倒塌的房屋中,与其他结构相比,砖木结构基本完好的比例最低(2.85%),严重损伤的比例最高(54.43%),严重损伤与中度损伤的合计比例也是最高(78.8%)(图1)[13]。虽然这个统计未将已倒塌的建筑包含在内,但是根据残存建筑的状况推断,砖木结构房屋的“倒塌率”应该最高。

  由于统计工作的专业差别,上述统计数据中的“土木结构”、“砖木结构”虽不等同于古建筑,但基本可以看做是包含古建筑在内的应用传统做法的民族或地方建筑。

  而国家文物局的情况通报则明确指出,四川省“重灾区成都、绵阳、阿坝、德阳四个地区文物建筑、博物馆垮塌,文物损毁非常严重,文物损失惨重。最为严重的是世界文化遗产都江堰二王庙建筑群和全国重点文物保护单位云岩寺,文物建筑大面积坍塌,未倒塌的也全部成为危房”[1]。

  按照《古建筑木结构维护与加固技术规范》“按规定裂度进行抗震加固时,应达到当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,古建筑基本不受损坏;当遭受本地区设防裂度的地震影响时,古建筑稍有损坏,经一般修理后仍可正常使用;当遭受高于本地区设防裂度的罕遇地震影响时,古建筑不致坍塌或砸坏内部文物,经大修后仍可恢复原状”[9]的标准来衡量,都江堰二王庙建筑群和云岩寺那样“未倒塌的(文物建筑)也全部成为危房”般的“墙倒屋不塌”是没有什么实际抗震意义的,也即不能认为那些未倒塌的危房是抗震的。

  “墙体容易倒塌,常是地震伤人的主要因素。”[4]史书上大量的关于因地震导致墙体倒塌,造成人员伤亡和财产损失的记载可以充分说明,以“墙倒屋不塌”来论证中国古建筑的“抗震性能”实在是不通情理、强词夺理。

  结语

  目前,建筑历史专业对中国古建筑抗震的研究,还多停留在对表面现象的观察阶段。正如陈明达先生所指出的,中国古代建筑大木作结构力学的研究不应该“看见两条柱子顶着一根横梁就断言符合现代的门式结构……看见殿堂分槽结构就视为符合现代双层套筒结构”,而应该是“着力于分析各种结构的受力状况,探求其功效”[13]。而现有结构专业的研究也差强人意,主要问题在于为“存在”寻找合理的科学证据,却忽视了对“存在”的系统研究。如《中国古建筑结构力学研究进展》[8]、《中国古代建筑抗震》[14]等的研究多是先入为主,虽经过一定的科学分析、计算甚至试验验证,但其试验方法和对数据、结果的解读都存在很大问题。因而中国古建筑的结构体系对抗震是否有影响,如何影响,影响的程度究竟有多大,适用范围是什么,目前仍不完全明确。

  以上的讨论,只是针对已有文献及研究做出逻辑层面上的辨析,笔者尚没有时间和精力对中国古建筑体系做出新的理论分析、力学计算和试验验证,因而并不能最终圆满解决中国古建筑的“抗震性能”这一学术问题。

  本文写作的目的更多的是希望汶川地震能够震醒陶醉于传统文化、擅长于厚古薄今的中国人,并在今后的中国建筑史研究中能够出现某些治学观念的转变和治学方法的改进。可以肯定,除了“天人合一”和“墙倒屋不塌”,中国古代建筑中还有很多类似的神话和迷信需要被一一破除。

  最后,借用ABBS网友“崇宁”的话来做总结:“不能盲目夸大中国古建筑的结构性能。木建筑有其局限性,对建筑和建筑史的研究应与民族主义情绪保持距离。”