摘要：木结构是中国古代建筑中独领风骚的建筑体系。几千年来，中国建筑尽管规模不同、质量有别，但从历史发展趋势来看，一直以木构架为主体方向发展成为我国古代建筑的主流。现存古代建筑的遗物中也以木结构建筑居多，最典型的是由柱和梁的榫卯结合构成的木结构骨架。这些木结构建筑是我国乃至世界人民的宝贵财富，集历史性、艺术性和科学性于一身，代表了古代先贤的科技发展水平，具有重大的文物价值和观赏价值。基于此，本文主要对中国古建筑木结构的艺术价值与结构力学进行分析探讨。
关键词：中国古建筑木结构；艺术价值；结构力学
1、前言
我国古建筑历史悠久，由于木结构古建筑其本身所蕴含着丰富的历史文化信息，使其具有极高的文物、历史和艺术价值，因此研究其结构力学性能对现阶段的古建筑文化遗产保护与恢复更具重要意义。
2、中国古建筑木结构的艺术价值
中国建筑体系是以木结构为特色的独立的建筑艺术，在城市规划、建筑组群、单体建筑以及材料、结构等方面的艺术处理均取得辉煌的成就。其中传统建筑中的各种屋顶造型、飞檐翼角、斗拱彩画、朱柱金顶、内外装修门及园林景物等，充分体现出中国建筑艺术的纯熟和感染力。它以木结构为骨、砖石为体、结瓦为盖、油饰彩绘为衣，经能工巧匠精心设计、巧妙施工建造而成，体现出东方古典建筑独有的艺术魅力。
木构架建筑的各种构件往往应其形状、位置进行加工，使之起到装饰的效果，表现出建筑与结构完美的统一。屋檐飞椽的端部逐渐变细，屋顶的瓦件也兼实用与美观于一身；屋脊上的龙吻都经过古代工匠艺术化处理变得美观而独特；鸟兽雕像惟妙惟肖，生动地说明构件的力学功用；须弥座侧面和四角扛重物的力神、桥头的卧牛、脊端的鸱尾都是匠心所在，同时又有直观的力学喻义。中国古建筑在造型艺术上所体现出来的节奏和韵律美，给予人心的涵养及陶冶以极大的影响。中国的组群建筑在平面布置上是用一些简单的基本单位组成相对复杂的群体结构，房间以间为单位，若干间并联成一座房屋，几座房屋沿基地周边布置，共同围成庭院。形式上严格对称但也存有变化，在多样变化中保持统一的风貌。
3、古建筑木结构的抗震机理
3.1结构的整体布置
古建筑的结构平面布置采用规则对称的几何形状，这种布置方式使结构的质量中心与刚度中心重合，可以避免水平荷载作用下产生扭转等不利内力。除平面的对称布置外，建筑的立面也遵循荷载的均衡对称的原则，这种布置可以避免竖向荷载偏心。立面布置的另一个特征就是重大的建筑物通常选择低而宽的稳重体形。早期的柱架檐额较细，柱架支承面为上凹的“皿”状，后期檐额变大，柱架顶面变为水平，额枋及斗拱的支撑面变为水平。
3.2台基的隔震作用
台基是中国木结构建筑的特有部分，高出自然地平2～5米，是上部建筑结构的基础，包括基础、磉墩、柱础以及拦土墙等，外面砌筑台帮。基础部分多以夯土和碎石隔层筑打而成，可以看做是刚度分层的地基，具有柔性隔震作用。在台基之内，按柱子的位置用砖石砌磉墩，磉墩上放柱顶石，柱顶石上立柱。磉墩与磉墩之间砌成与磉墩同高的拦土墙作条形基础，拦土墙将台基内分为若干方格，提高了柱基的水平抗力。填土中掺入碎砖瓦、石灰、烧土碎块等，分层夯成。
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3.3柱架层榫卯连接
柱的上端横向施额枋、垫板及普拍枋，纵向施梁及随梁枋。这些构件通过榫卯使梁、枋变成了排架，将柱架体系变成了门式钢架，大大增加了额的抗弯刚度。普拍枋有利于增强柱额节点刚度，并分担一部分补间铺作荷重造成的弯矩，像圈梁一样将结构连接起来，有利于结构的抗震。这种钢架下端不依赖柱和基础的连接，像一个倒置的八仙桌，它的稳定是靠额枋和屋架来维持的，不依赖于基础。榫卯连接的抗弯刚度与节点构件的变形有关，不是一般意义的刚节点，而是半刚节点。柱架的材料及连接特性决定了木构架的特征周期长、结构的自振周期与场地的卓越周期相差较远、地震反力小等特点。
3.4侧脚及生起的作用
侧脚是立柱之前将柱底面做成微小斜度的斜面，立柱后可令柱首微收向内，柱脚微出向外。侧脚在制造时使柱按正“八”字形预先倾斜，上部荷重会使柱头间保持自动向内挤紧，在额枋中产生轴向压力和额枋端头集中弯矩，这会使额枋榫卯从一开始就具有抗张角刚度。结构在遭受持时较短的扰动后即便其榫头有少量的拔出，向内倾斜的柱头也会自动将卯口推回。侧脚使结构产生的恢复力总是指向结构的平衡位置（即结构在地震前的静止位置），方向总是和柱架振动侧移方向相反，使输入结构的能量首先必须克服重力沿额枋纵轴倾斜方向分力做功，这种工艺做法具有显著的减震耗能效果。
3.5斗拱的结构性能
斗拱的构件连接是互不粘连的，正如《景福殿赋》所说：“桁梧复叠势合形离。”构件之间只以静摩擦力抵抗水平滑移。铺作层是柱架和梁架的过渡层，是梁架的支座层。各朵斗拱将平行与檐桁的正心枋、拽枋、机枋等纵向连串起来，加强了斗拱层的整体性，成为屋架的弹性可错移的叠层圈梁。斗拱横向作为梁架的支座，承担着支承上部结构、构造连接、空间过渡的功能。斗拱在出现层间滑移之前具有侧移变形性质，它也是抗侧力构件，具有抗侧移刚度。斗拱通过以柱中心两侧对称外伸的小梁逐层层叠和展开，将上部荷重集中到柱中心，尽量使柱承受轴心压力，以减小偏心弯矩，这样可以最大限度地发挥木柱的承载能力。斗拱水平抗侧移力主要由摩擦力来提供，它在受荷载后能够自动锁紧。
在地震时，斗拱的弹性变形能力将具有显著的吸能能力，如汽车的减震弹簧一样对梁架起到减震作用。梁架体系整个梁架层，由于铺作层的层层分离，屋盖及梁架整体可等效为坡面的刚体。由于要保证屋架不滑移只能靠木材之间的摩擦力来提供，只有靠增大屋盖的自重才能增加屋盖层与层之间的摩擦力及整个建筑的摩擦力。古代建筑的殿堂在屋顶上使用硕重的陶制的鸱尾、金葫芦、脊砖等配重，其用意就在于此。
3.6屋盖层
屋盖层由梁架系统和屋面维护层组成，整个建筑的绝大部分重量即在于此。叠置由于梁架举折，使屋面维护层呈平滑曲面且较厚，所以屋面纵向刚度很大。梁架系统由水平独木梁峰、蜀柱、叉手和托脚组成，纵向构件与刚度很大的屋面连成整体，故屋顶层在纵向可认为是刚性的。在横向，梁架系统的各层梁不能互相错动，从而认为屋顶层在横向是刚性的。也就是说屋盖层本身具备较好的整体性和稳定性。
古建筑木结构一般为大屋顶，重量较大。厚重屋盖固然可增加地震时的惯性力，但另一方面也提高了屋盖的刚度，约束了下部柱架结构，从而加强了房屋构架的整体性及稳定性，否则下部框架将形成不稳定结构，这对房屋抗震是有利的。古建木结构有自身的特点，在承受压力之前，其构架有一定的几何可变性，只有在承受一定的压力之后，各构件之间的连接才能趋于密合，构架才能具备一定的抵抗侧向荷载与侧向变形的能力。
4、结语
木结构是中国建筑史上的一朵奇葩，因此对木结构的价值研究也越来越显得重要，其保护措施也更是引起了社会各界的广泛关注。经过数十年的发展，木结构的加固及修复技术均取得了十分显著的进展，但仍有许多问题需要解决，比如对木结构的检测技术和可靠性鉴定，以期未来会有更加成熟的技术应用在保护木结构的领域中。
参考文献：
［1］张鑫，李安起，赵考重.建筑结构鉴定与加固改造技术的进展［J］.工程力学，2011，28(1):1-11.
［2］何玮，古建筑的保护与修复［J］.工程建设，2008，40(6):33-35.
论文作者:万远存
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/17
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