木塔结构在结构设计中的几点启示

1、木塔结构在结构设计中的几点启示    【摘要】：本文试图通过分析山西应县木塔部分结构设计技巧为现代建筑结构设计提供一些借鉴。 关键字：应县木塔;刚柔并济;斗拱吸能机构 Abstract : This article attempts to analyze the Shanxi Yingxian Wood Tower part structure design skills for the modern building structural design to provide some reference. Keywords: Yingxian Wood

2、 Tower; rigid-flexible and economic; energy absorption mechanism of brackets 中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 前言 “木塔”此处特指位于山西省应县城内西北角佛宫寺释迦塔，俗称应县木塔。它是中国现存最早的木结构楼阁式高层建筑，建于辽清宁二年，即公元1056年。木塔总高67.31米，其中塔刹高约10米，底层直径30.27米，总重量约7400吨。整个建筑由塔基、塔身、塔刹三部分组成。塔基分作上下两层，下层为方形，上层为八角形。塔平面亦为八角形，高九层，五个明层，四个暗层，外观为

3、五层六檐。塔刹由基座、仰莲、相轮、圆光、仰月、宝盖、宝珠组成，制作精巧，与塔身十分协调。 木塔建造在高大台基上，台基高4米余，分上下两层。上层的台基和月台各角，都有角石，从角石上突起的狮子来看，雕刻风格古朴，应是辽代的贵物。塔有五个明层，各层间又夹有暗层，实为九层。底层为重檐并有回廊，故塔的外观为六层屋檐。塔的整体比例适当，其外形也显得稳重而庄严。木塔外观有一个非常引人注目的特点，就是由底层到顶层，由明层到暗层，全塔共用斗拱五十四种，可谓集斗拱形制之大成。二层以上均用斗拱挑出平座，并围以栏杆。在将近一千年的漫长岁月里，木塔经历过多次地震。据史书记载，元顺帝时大震七日， 塔屹然不动。近年间河北邢

4、台地区、唐山地区和内蒙古和林格尔地震，木塔都没有受到损坏。这种情况充分说明木塔的抗震能力很强，反映了我国古代建筑工程学的伟大成就。中国工程院院士叶可明和江欢成认为，保证木塔千年不倒的原因首先从结构力学的理论上来看，木塔的结构非常科学合理，卯榫咬合，刚柔相济，这种刚柔结合的特点有着巨大的耗能作用，这种耗能减震作用的设计，甚至超过现代建筑学的科技水平。 从结构上看，一般古建筑都采取矩形、单层六角或八角形平面。从下面来自台湾科技大学建筑系网站的结构图我们发现木塔是采用两个内外相套的八角形，将木塔平面分为内外槽两部分。内外槽之间又分别有地袱、栏额、普柏枋和梁、枋等纵向横向相连接，构成了一个刚性很强的双

5、层套桶式结构。这样，就大大增强了木塔的抗倒伏性能。木塔外观为五层，而实际为九层。每两层之间都设有一个暗层。这个暗层从外看是装饰性很强的斗拱平座结构，从内看却是坚固刚强的结构层，建筑处理极为巧妙。在历代的加固过程中，又在暗层内非常科学地增加了许多弦向和经向斜撑，组成了类似于现代的框架构层。这个结构层具有较好的力学性能。有了这四道圈梁，木塔的强度和抗震性能也就大大增强了。斗拱是我国古代建筑所特有的结构形式，靠它将梁、枋、柱连接成一体。由于斗拱之间不是刚性连接，所以在受到大风地震等水平力作用时，木材之间产生一定的位移和摩擦，从而可吸收和损耗部分能量，起到了调整变形的作用。除此之外，木塔内外槽的平座斗

6、拱与梁枋等组成的结构层，使内外两圈结合为一个刚性整体。这样，一柔一刚便增强了木塔的抗震能力。应县木塔设计有近六十种形态各异、功能有别的斗拱，是我国古建筑中使用斗拱种类最多，造型设计最精妙的建筑，堪称一座斗拱博物馆。 当今的建筑结构设计原则主要是刚柔相济来源：考试大的美女编辑们、多重设防、抓大放小和打通关节等四个方面。在将木塔的结构特点与之相比较就会发现，早在950多年前，应县木塔的设计者已经深深懂得并完美地实践了这些原则。 通过上述对应县木塔结构的粗浅分析，我们在当前建筑结构设计特别是高层塔式建筑结构设计工作中可以借鉴大量的经验，譬如双层套桶式结构、斗拱构造、卯榫咬合、双层地基、巧妙的吸能结构

7、设置和合理的整体组成规划等。 众所周知，合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏；而太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。结构是刚多一点好，还 是柔多一点好？刚到什么程度或柔到什么程度才算合适呢？这些问题历来都是专家们争论的焦点，现今的规范给出的也只是一些控制的指标，但无法提供“放之四海皆准”的 精确答案。最后，专家们达成难以准确言传的共识：刚柔相济乃是设计者的追求。应县木塔的结构恰到好处的达到了人们追求的刚柔并济的境界。古塔设计者使用的双层套桶式结

8、构、斗拱构造、卯榫咬合等木质建筑结构设计施工技术对古塔历经千年不倒的奇迹的实现起到极其重要的作用。当前我们的建筑设计、施工秉承西方工业革命的发展成果，建立在钢筋水泥等所谓现代化的短命建筑材料基础上，一味的追求简洁坚固，尽管当前出现了不小“刚柔并济”设计施工理念的转变，但是这种转变的基础立足点还是西方的近代现代的建筑设计施工理论。而且这种坚固也是“短命的”，我们可以想想看世界上有哪几座钢筋混凝土建筑的寿命超过百年，我们国家一般民用建筑是50年,大型或者比较重要的建筑为80年或以上，实际上一般寿命只有30年，这主要是混凝土在使用的过程中会缓慢的发生氧化作用，再加上晴天和雨天的湿度不同对混凝土以及其

9、中的钢筋有很大的破坏性。 “强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。有人问：为什么不是“强柱强梁”“强剪强弯”呢？为什么所有构件都很强的结构体系反而不好，甚至会有安全隐患呢？   这里面首先包含着一个简单的道理：绝对安全的结构是没有的。简单地说，虽然整个结构体系是由各种构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭摧毁或者至少是最后才遭摧毁，这时候牺牲在所难免，让谁牺牲呢？明智之举是要让次要构件先去承担灾难。“宁为玉碎，不为瓦全”，如果平均用力

10、，可能会“玉石俱粉”，损失则更大矣！在建筑结构中，柱倒了，梁会跟着倒；而梁倒了，柱还可以不倒的。可见柱承担的责任比梁大，柱不能先倒。为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少可能出现的损失。如果梁柱等同看待，企图让他们都“坚不可摧”，则可能会造成同时破坏，后果会更糟糕，损失会更大。所以关键时刻要分清主次，抓大放小，也就是要取大舍小。有舍才有得，舍是为了得。但取谁舍谁，真是个难题。在结构体系中，所谓关节，是指变化相聚之处，或变化出现的地方。不同类型的构件相接处，同一构件截面改变之处，是关节。广义上，诸如结构错层之处，体量改变之处，转换层亦是关节。关节无处不在，因为结构体系乃是变化的统一。木塔结构中的斗拱构造就是木塔结构中的关节，卯榫咬合的关节构造，外力突然袭来之时，对于单一的构件，力量的传递简明，因而容易控制。对于复杂的结构体系，关节的复杂性难于预测和控制,即使从理论上保证了每个组成构件的强度和刚度，但因关节的普遍存在，力量的传递往往不能畅通而出现集中甚至中断，破坏由此而发生。历次灾害表明，从节点开始破坏的建筑占了相当大的比例。木塔的卯榫咬合的斗拱构造是很巧妙的吸能的机构，利用局部可控变形吸收足以摧毁总体结构的能量，有效的提高结构的弹性。来