中國古建筑的防災設計智慧

董力早

【摘要】本文對《龍慶忠文集》提及中國古建筑防災智慧及若干設計手法的歸納小結。透過龍先生曾公開過的論文，學習龍先生總結出的中國古建筑對風、震、雷等災害的防御辦法，以啟發現代工程建設的防災設計。

【關鍵詞】龍慶忠；古建筑防災；防災設計

《龍慶忠文集》于2010年12月由中國建筑工業出版社出版，筆者有幸較早拜讀。龍慶忠老先生（下稱“龍老”）生前公開發表過的文章，目前能找到的20余篇，皆收錄在《龍慶忠文集》“卷二 學術成就與特色”中，其中專述古建筑防災技術的僅一篇，即1963年《建筑學報》上發表的《中國古代建筑的避雷措施及雷電學說》一文。但龍老的其他各類論文，也有不少提及中國古建筑在預防天災方面的智慧，本文將其摘取小結如下。

小結1 古建筑防風災的辦法

中國古建筑的屋頂，因在縱深方向有“舉折”、“舉架”，面闊方向有“生起”，故屋頂瓦面往往形成雙曲面，可減緩風造成的橫向荷載。在《中國建筑在結構上的偉大成就》一文中，龍老以生動的比喻解釋了這一現象：“屋面結構好比今天的流線型汽車、火車一樣，能把大風得來的大橫力變為屋面的上的壓力。由于屋面呈曲線型，這樣會將風力變小而減少推力了。”即雙曲屋面可使風的橫推力轉變為屋面正壓力。

風力對于多高層建筑體型設計來說是一個重要的考量因素，中國古代建筑的多高層建筑有塔、樓閣等，這些建筑物對風的抵御多有考慮。其中一個辦法，就是降低頂層高度，防止塔尖失穩坍塌。龍老在《中國塔之數理設計手法及建筑理論》一文中，把蘇州云巖寺虎丘塔和廣州六榕寺花塔的頂層體型作了對比，虎丘塔頂層層高與頂層邊寬長度（這兩個塔平面皆是正多邊形）之比為2.5，較為高聳，遠大于花塔的1.1，龍老認為：“花塔與虎丘塔的頂層不同：虎丘塔提得很高便于眺望，而花塔反而減少，這是前面例子中少見的。這恐怕是由于臺風關系，不能提高而應減少。”

中國古塔的平面形狀對整塔的抗風力性能有較大的影響。對于這一點，華南理工大學鄭力鵬教授有更進一步的研究：雖然圓形平面的塔具有最好的防風性能，但正八邊形平面的塔，既能較有效率地抵抗風載，又能較好地符合中國古建筑的方位觀、宇宙觀，因此八角形平面是中國古塔中最為常見的形式。

小結2 古建筑抵御地震及提高結構穩定性的辦法

“柔構”的特點使不少中國古代木構建筑抵抗了多次地震災害。中國古建筑以木構為主，在官式大木建筑中，梁柱間多以斗拱交接；柱網與屋頂之間，往往用斗拱“編織”出一層鋪作層作為過渡。龍老認為，木材的柔韌性和鋪作層的彈性都能對抵抗地震產生幫助。在《中國建筑在結構上的偉大成就》一文中，龍老寫到：“發現它（指中國古代木構建筑——筆者注）里面的一種‘柔構技能。……大概是由于各支柱的水平搖動來回時間的關系，可以減輕由地層的‘震度；另外斗栱上下動的關系，可以吸收一部分的能量；再則是栱的截面性質，有柔撓性，可以吸收能量，也即有彈性的效果，通過這樣有復雜性能的斗栱層的垂直震動，依次再傳到上蓋不偏平衡體系中，所以不至傾倒。”

中國古代木構建筑的整體結構剛度較強，使其不易失穩，以抵抗地震和風災。在《中國建筑在結構上的偉大成就》一文中，龍老生動地把木構架的受力平衡比喻成 “秤”的平衡。以筆者的理解，其實文中的“秤”的本體是幾種不同的受力平衡模式。其一是各處運用杠桿平衡原理的部位。如挑檐、挑梁的平衡：挑檐外端檐頂的重量為“秤勾”上的重物，內檐梁架對昂尾的固定作用為“秤砣”。其二是木構件重量分布均勻使整個木構架的重心居中，加強結構穩定性。龍老引《世說新語》：“凌去臺，樓觀精巧，先稱平眾木輕重，然后造構，無錙銖相負。臺雖高峻，常隨風動搖，而終無傾倒之理，明帝懼其危，別以大木扶之，即頹壞。論者謂輕重力偏故也。”旨在強調木構建筑重心居中的抗震作用；其三，龍老把屋頂比作“天枰”，稱作“上蓋平衡原則”，即平梁兩端受荷必須平衡。具體的做法是，通過“轉換性構件”（如善化寺大雄寶殿的剳牽、隆興寺轉輪藏殿的人字形屋架），從平梁兩端往下傳遞重量，這些荷載只要能分配到相應的柱子中，屋頂就容易平衡。

龍老還在上文中總結中國古代木構建筑的設計法則，體現在“有衡有權”、“以構應變”、“以柔克剛”、“以剛濟柔”四個方面。這四個方面正體現了中國古建筑防震的思想。“有衡有權”又體現為建筑物重心須居中，不偏倚。“以構應變”又體現為梁架局部上的構件調整使“天枰”能平衡。“以柔克剛”又體現為木材、斗拱的“柔構”機能。“以剛濟柔”又體現為木構架設計時注重加強結構剛度，以應對千變萬化的地震沖擊波。

小結3 古建筑防雷電的辦法

中國古建筑多由木造，如遇雷火，極易焚毀。歷史上木建筑毀于雷火的例子不勝枚舉。

要知道如何防雷電，必先知道什么最吸引雷電。首先，從建筑材料上看，濕木容易導電，因此，在雷雨天里的木構建筑，很容易成為導電體；其次，高處端尖的建筑構件容易吸引雷電，如古建筑的正脊、正吻（鴟尾），遭電擊后，容易通過正脊下的立柱傳導到下部的木屋架上，因此這根立柱自古得名“雷公柱”。龍老總結道：“在明清的建筑中有三種雷公柱：一種是亭閣室頂下的雷公柱；一種是牌坊上高架柱處的雷公柱；一種是殿堂等的正吻下的雷公柱。”

因此，根據上述構件容易接引雷電的特點，古人根據雷電事故總結了經驗，創造出幾種建筑防雷電的辦法。

一種是不用木頭而用石材進行建筑，喚作避雷室。據孟奧《北征記》：“凌云臺南角一百步，有白石室，名避雷室。”這種避雷室應是用大理石砌筑的石造建筑，有防火、絕緣的作用。

一種是在屋頂使用“推山”和“收山”做法。這兩種做法都是古代木構常見的，它們使屋頂產生的視覺效果雖然不同，但有一共同點——使正吻與屋頂的三角屋架隔出一段距離。這樣就使雷電較便捷地通過角梁角柱傳導到地面，而不傳導到室內的明、次間（即室內的主要空間）。這一效果與今日之避雷針已有相似之處。

中國古建筑屋頂上常見的一些金屬裝飾物（塔剎、脊剎、火珠等）也能起一定的防雷作用。以塔為例，一方面，高聳塔剎和四周連接檐角的鎖鏈——它的作用既是為了扶持剎柱使其不致受到搖動而折斷，但或可能將雷電散到了檐角上去；另一方面，這些金屬構件的尺寸往往與建筑規模有關，類似于今日的避雷針高度與保護范圍之間的關系。如塔剎的高度和塔下層平面周長有關。以鴟尾為例，據宋《營造法式》卷十三的“用鴟尾”之制，鴟尾的高度是受建筑的開間、高度、進深所決定的，而且鴟尾本身高度到了一定數值（三尺以上），構造做法也有不同（安裝搶鐵），其防雷效果也隨之調整。

結 語

龍老在《中國塔之數理設計手法及建筑理論》一文中寫到：“天道有變時，地道亦有變時。天地驟變，人為之變，于是有建筑防災。天地漸變，人亦為之變，于是有建筑修繕、保管。天道、地道、人道、建筑道因此處于既矛盾又諧調之統一體中。”這段話為今日工程建設的啟發作用是：自然災害無可避免，建筑防災從來就是伴隨建筑活動而生的，對建筑防災辦法的探索將永遠伴隨著人類的社會的發展。

參考文獻

[1] 文集編委會.龍慶忠文集.中國建筑工業出版社，2010，12.

[2] 鄭力鵬.古代建筑防風術之借鑒.華南理工大學學報，1997，1.

[3] 鄭力鵬.中國古塔平面演變的數理分析與啟示.華中建筑，1991，2.

[4] 鄒其昌. 點校.[宋]李誡.營造法式.人民出版社.