中国古建筑的防灾设计智慧

中国古建筑的防灾设计智慧

作者：董力早

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第36期

【摘要】本文对《龙庆忠文集》提及中国古建筑防灾智慧及若干设计手法的归纳小结。透过龙先生曾公开过的论文，学习龙先生总结出的中国古建筑对风、震、雷等灾害的防御办法，以启发现代工程建设的防灾设计。

【关键词】龙庆忠；古建筑防灾；防灾设计

《龙庆忠文集》于2010年12月由中国建筑工业出版社出版，笔者有幸较早拜读。龙庆忠老先生（下称“龙老”）生前公开发表过的文章，目前能找到的20余篇，皆收录在《龙庆忠文集》“卷二 学术成就与特色”中，其中专述古建筑防灾技术的仅一篇，即1963年《建筑学报》上发表的《中国古代建筑的避雷措施及雷电学说》一文。但龙老的其他各类论文，也有不少提及中国古建筑在预防天灾方面的智慧，本文将其摘取小结如下。

小结1 古建筑防风灾的办法

中国古建筑的屋顶，因在纵深方向有“举折”、“举架”，面阔方向有“生起”，故屋顶瓦面往往形成双曲面，可减缓风造成的横向荷载。在《中国建筑在结构上的伟大成就》一文中，龙老以生动的比喻解释了这一现象：“屋面结构好比今天的流线型汽车、火车一样，能把大风得来的大横力变为屋面的上的压力。由于屋面呈曲线型，这样会将风力变小而减少推力了。”即双曲屋面可使风的横推力转变为屋面正压力。

风力对于多高层建筑体型设计来说是一个重要的考量因素，中国古代建筑的多高层建筑有塔、楼阁等，这些建筑物对风的抵御多有考虑。其中一个办法，就是降低顶层高度，防止塔尖失稳坍塌。龙老在《中国塔之数理设计手法及建筑理论》一文中，把苏州云岩寺虎丘塔和广州六榕寺花塔的顶层体型作了对比，虎丘塔顶层层高与顶层边宽长度（这两个塔平面皆是正多边形）之比为2.5，较为高耸，远大于花塔的1.1，龙老认为：“花塔与虎丘塔的顶层不同：虎丘塔提得很高便于眺望，而花塔反而减少，这是前面例子中少见的。这恐怕是由于台风关系，不能提高而应减少。”

中国古塔的平面形状对整塔的抗风力性能有较大的影响。对于这一点，华南理工大学郑力鹏教授有更进一步的研究：虽然圆形平面的塔具有最好的防风性能，但正八边形平面的塔，既能较有效率地抵抗风载，又能较好地符合中国古建筑的方位观、宇宙观，因此八角形平面是中国古塔中最为常见的形式。

小结2 古建筑抵御地震及提高结构稳定性的办法

“柔构”的特点使不少中国古代木构建筑抵抗了多次地震灾害。中国古建筑以木构为主，在官式大木建筑中，梁柱间多以斗拱交接；柱网与屋顶之间，往往用斗拱“编织”出一层铺作层作为过渡。龙老认为，木材的柔韧性和铺作层的弹性都能对抵抗地震产生帮助。在《中国建筑在结构上的伟大成就》一文中，龙老写到：“发现它（指中国古代木构建筑——笔者注）里面的一种„柔构‟技能。……大概是由于各支柱的水平摇动来回时间的关系，可以减轻由地层的„震度‟；另外斗栱上下动的关系，可以吸收一部分的能量；再则是栱的截面性质，有柔挠性，可以吸收能量，也即有弹性的效果，通过这样有复杂性能的斗栱层的垂直震动，依次再传到上盖不偏平衡体系中，所以不至倾倒。”

中国古代木构建筑的整体结构刚度较强，使其不易失稳，以抵抗地震和风灾。在《中国建筑在结构上的伟大成就》一文中，龙老生动地把木构架的受力平衡比喻成 “秤”的平衡。以笔者的理解，其实文中的“秤”的本体是几种不同的受力平衡模式。其一是各处运用杠杆平衡原理的部位。如挑檐、挑梁的平衡：挑檐外端檐顶的重量为“秤勾”上的重物，内檐梁架对昂尾的固定作用为“秤砣”。其二是木构件重量分布均匀使整个木构架的重心居中，加强结构稳定性。龙老引《世说新语》：“凌去台，楼观精巧，先称平众木轻重，然后造构，无锱铢相负。台虽高峻，常随风动摇，而终无倾倒之理，明帝惧其危，别以大木扶之，即颓坏。论者谓轻重力偏故也。”旨在强调木构建筑重心居中的抗震作用；其三，龙老把屋顶比作“天枰”，称作“上盖平衡原则”，即平梁两端受荷必须平衡。具体的做法是，通过“转换性构件”（如善化寺大雄宝殿的剳牵、隆兴寺转轮藏殿的人字形屋架），从平梁两端往下传递重量，这些荷载只要能分配到相应的柱子中，屋顶就容易平衡。

龙老还在上文中总结中国古代木构建筑的设计法则，体现在“有衡有权”、“以构应变”、“以柔克刚”、“以刚济柔”四个方面。这四个方面正体现了中国古建筑防震的思想。“有衡有权”又体现为建筑物重心须居中，不偏倚。“以构应变”又体现为梁架局部上的构件调整使“天枰”能平衡。“以柔克刚”又体现为木材、斗拱的“柔构”机能。“以刚济柔”又体现为木构架设计时注重加强结构刚度，以应对千变万化的地震冲击波。

小结3 古建筑防雷电的办法

中国古建筑多由木造，如遇雷火，极易焚毁。历史上木建筑毁于雷火的例子不胜枚举。 要知道如何防雷电，必先知道什么最吸引雷电。首先，从建筑材料上看，湿木容易导电，因此，在雷雨天里的木构建筑，很容易成为导电体；其次，高处端尖的建筑构件容易吸引雷电，如古建筑的正脊、正吻（鸱尾），遭电击后，容易通过正脊下的立柱传导到下部的木屋架上，因此这根立柱自古得名“雷公柱”。龙老总结道：“在明清的建筑中有三种雷公柱：一种是亭阁室顶下的雷公柱；一种是牌坊上高架柱处的雷公柱；一种是殿堂等的正吻下的雷公柱。” 因此，根据上述构件容易接引雷电的特点，古人根据雷电事故总结了经验，创造出几种建筑防雷电的办法。

一种是不用木头而用石材进行建筑，唤作避雷室。据孟奥《北征记》：“凌云台南角一百步，有白石室，名避雷室。”这种避雷室应是用大理石砌筑的石造建筑，有防火、绝缘的作用。

一种是在屋顶使用“推山”和“收山”做法。这两种做法都是古代木构常见的，它们使屋顶产生的视觉效果虽然不同，但有一共同点——使正吻与屋顶的三角屋架隔出一段距离。这样就使雷电较便捷地通过角梁角柱传导到地面，而不传导到室内的明、次间（即室内的主要空间）。这一效果与今日之避雷针已有相似之处。

中国古建筑屋顶上常见的一些金属装饰物（塔刹、脊刹、火珠等）也能起一定的防雷作用。以塔为例，一方面，高耸塔刹和四周连接檐角的锁链——它的作用既是为了扶持刹柱使其不致受到摇动而折断，但或可能将雷电散到了檐角上去；另一方面，这些金属构件的尺寸往往与建筑规模有关，类似于今日的避雷针高度与保护范围之间的关系。如塔刹的高度和塔下层平面周长有关。以鸱尾为例，据宋《营造法式》卷十三的“用鸱尾”之制，鸱尾的高度是受建筑的开间、高度、进深所决定的，而且鸱尾本身高度到了一定数值（三尺以上），构造做法也有不同（安装抢铁），其防雷效果也随之调整。

结 语

龙老在《中国塔之数理设计手法及建筑理论》一文中写到：“天道有变时，地道亦有变时。天地骤变，人为之变，于是有建筑防灾。天地渐变，人亦为之变，于是有建筑修缮、保管。天道、地道、人道、建筑道因此处于既矛盾又谐调之统一体中。”这段话为今日工程建设的启发作用是：自然灾害无可避免，建筑防灾从来就是伴随建筑活动而生的，对建筑防灾办法的探索将永远伴随着人类的社会的发展。

参考文献

[1] 文集编委会.龙庆忠文集.中国建筑工业出版社，2010，12.

[2] 郑力鹏.古代建筑防风术之借鉴.华南理工大学学报，1997，1.

[3] 郑力鹏.中国古塔平面演变的数理分析与启示.华中建筑，1991，2.

[4] 邹其昌. 点校.[宋]李诫.营造法式.人民出版社.