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建筑結構設計:中國古建的奇跡

發布時間:2021-07-20人氣:139

1000多年前,一堆不被歷史承認的匠人,聚集在一起,奉遼王之命,用10萬塊木構件,像搭積木一樣,建了一座高67.31米(20層樓高),直徑為30.27米(7個籃球場大?。┑募兡窘Y構的木塔。


  遭受7天大震,遭受200多發炮彈攻擊,周圍房屋全部倒塌,而這座木塔至今巋然不動,屹立千年。它就是“應縣木塔”(佛宮寺釋迦塔)。


  這座塔結構之復雜、構件之繁多、用料之多,到目前為止,中國沒有1個人能夠完全搞清楚它的結構。為了方便理解,百代君就用搭積木來簡單比喻一下這座塔構造。


  搭積木首先要要有各種形狀的構件。當年,搭建這個木塔的構件尺寸不多,只有6種,而且,這6種在目前現代力學觀點來看,竟能完美符合受力特性。


  往上支撐的構件主要是柱子,一共658根,其中主柱312跟,直徑560mm~640mm;輔柱346根


  橫著支撐的叫闌額及普拍枋(見圖)一共304根;


  建筑結構設計


  梁栿(用于連接柱子和闌額及普拍枋的構件)248根;


  鋪作層枋子(就是我們現在說的斗拱)4800個(截面尺寸約為255mmx170mm)


  


  櫨斗(就是斗拱最下部,見圖)424個


  建筑結構設計


  散斗(其他重要部件))大約9000個


  首先,先用柱子和闌額及普拍枋把基礎框架搭起來;但是這樣搭起來肯定不固定,所以就用梁栿固定住柱子和闌額及普拍枋;為了能夠承受更大的重量,再把斗拱放在柱子和闌額及普拍枋交叉的地方;然后再把櫨斗和散斗加上去,最后搭建木塔就是這個樣子:


  


  九層木塔結構,其中有四個結構層為平坐層,也稱為“暗層”,夾在各明層之間,是一個中空的雙層環狀結構。在平坐層內柱子之間和內、外角柱之間架設不同方向的斜撐,形成桁架結構(TRUSS)全塔共使用400余攢不同類型的斗拱,平面則采取內、外兩圈八邊形立柱,內圈主柱8根,外圈主柱24根,形成內外雙層套筒式的平面結構。內柱環繞的空間是佛堂,內外柱之間的空間稱為外槽,是供朝拜禮佛活動的通道,稱為外槽。外槽外面是各層出挑的平坐,外槽內由扶梯可供上下。


  說起來好像很簡單,但是要知道應縣木塔光斗拱就60多種,我們用數學方法計算一下就知道構件之間的組合會有多復雜了。


  中國比薩斜塔的危機


  這座千年木塔目前面臨一個非常嚴重的問題——它歪了。歪到什么程度呢?比比薩斜塔還要嚴重。


  


  搭建木塔底部一些支撐構件受損嚴重,尤其是它成為了旅游景點之后。


  新中國成立初期,應縣曾在塔內召開“萬人大會”,每層都安裝了喇叭,坐滿了人。你可以想象一下,這座木塔要承受多大的重量。在它千年的生命中,這可能是木塔承受的最重一次壓力。


  


  后來,應縣木塔名聲大噪,慕名而來的游客們越來越多,登塔的游客也越來越多。很多游客來到應縣木塔的主要目的就是看看這個木塔是不是真的這么結實——每登一個臺階就使勁跺一次腳。


  既然歪了,那就修唄。這事兒民國政府真干過,結果后來再也沒人敢修了。


  1934年民國政府對木塔進行了一次“大維護”,拆除了各層間的泥夾墻和斜戧,換成了現在的門和窗,大大降低了各層的抗側移剛度和承載能力。這次維修影響到了木塔的整體結構,留下了不少遺憾。


  但是現在的應縣木塔不修不行了,塔內存在柱身及柱頭開裂、柱腳劈裂等300余處殘損。


  應縣木塔外檐細部


  


  應縣木塔二層平坐層內部照片


  建筑結構設計


  7位中國最頂尖院士集中在一起開會,討論怎么修這座塔,共有4個方案:


  “全拆了再修”:這個到可以,但是有個問題——拆完了沒有一個人會組合呀!


  “建造一個新的結構去支撐”:相當于給木塔做一個腳手架,但是這個工程量不亞于再建一座木塔……而且最重要的,是會極大影響木塔的整個景觀。


  “把完好三到五層吊起來,修底下受損部分”。 這個方案到時可行,但是這個可能會破壞木塔的原有結構。


  “小補小修,現狀加固”:在不改變木塔整體結構的前提下,糾正木塔殘損最嚴重的部位。


  最后的結論是:不修,這塔還能再堅持一段時間。


  直到現在,也沒有人敢接修繕應縣木塔這個燙手山芋,因為,沒有一個人敢負這樣的責任。它實在太珍貴了。


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