丹巴碉樓抗震減災構造技術

陳 玉， 趙 婷， 成 斌， 高 明

(1. 西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010; 2. 四川臻弘建筑工程設計咨詢有限公司，四川成都 610000)

在橫斷山脈大渡河和岷江上游的甘孜藏族自治州的丹巴縣境內的山坡上坐落著延續了上千年的碉樓，它是藏族和羌族燦爛民族文化的代表，是藏族和羌族歷史與人文精神的載體。碉樓是石頭砌筑的史書，對于碉樓的深入認識和研究不僅能夠讓我們感受到先民的文化和智慧，更能讓我們科學理性的對待傳統文化和建筑遺產。同時，先民的智慧可以引領和指導我們當今的建筑設計，在國際化浪潮中彰顯民族和地域特征。

1 丹巴碉樓概述

1.1 丹巴碉樓分布與特點

丹巴作為嘉絨藏族核心聚居地，據傳在清朝乾隆年間(1736年)高碉不下3 000余座，由于地質災害和戰爭等原因現存碉樓560余座，這些碉樓高度從20～60 m不等，形式多樣，有著“千碉之國”的美譽。這些古碉的年代久遠(追溯至唐代和清代)、規模宏大、類型多樣，建筑技藝高超，有著極高的美學、社會學、歷史學、建筑學、民族文化學價值[1-4]。

1.2 丹巴地形地貌與地質災害

丹巴地處我國大陸第一階梯向第二階梯的過渡地帶，地形復雜，地勢變化大，境內峰巒疊嶂、峽谷幽深，全縣最低海拔1 700 m，最高海拔5 820 m，相對高差為4 120 m。平均坡度32 °，是典型的高山峽谷地貌。丹巴縣在大地構造位置上隸屬于龍門山褶皺帶(圖1)，該地區地質活動強烈，過去幾百年里這一斷裂帶附近多次發生里氏7級以上大地震。在2008年汶川大地震中，丹巴古碉群中有45座碉樓受損嚴重，碉身開裂，碉頂垮塌[5-7]。丹巴地區海拔較高，許多碉樓位于山頂，受風荷載影響較大，另外由于丹巴地區干濕分明，降雨集中，滑坡、泥石流常有發生并且危害較大，因此丹巴地區的建筑對抗自然災害的難度較大。

圖1 龍門山褶皺帶及周邊地區抗震設防烈度

2 丹巴藏羌碉樓的建筑特征

2.1 結構材料特征

丹巴藏羌碉樓大都采用石木混合承重結構，建筑由石材、黃土及木材組成。由于地處龍門山斷裂帶附近，山上石材資源十分豐富，石材具有很好的抗壓性能并且不易風化，這是丹巴碉樓得以留存上千年的原因之一。黃土作為石材間的填充和粘結材料，木材作為內部樓層的承重材料，承托樓面的荷載[8-9]。

2.2 平面特征

丹巴藏羌碉樓平面形式多樣，按照其平面形式可分為三角碉、四角碉、五角碉、六角碉、八角碉、十二角碉、十三角碉及圓形碉。三角碉是全部由石頭砌成的實心的碉樓，僅作為標志性構筑物，并無實用功能。四角碉、五角碉、八角碉最為常見。十二角碉和十三角碉甚為罕見，如今中國唯一一座十三角碉位于丹巴境內蒲角頂，海拔3 000 m以上，是碉樓中的孤品。四角碉和五角碉內部空間為規則的方形，六角碉和八角碉內部為圓形(圖2)。

圖2 碉樓標準層平面

2.3 功能特征

丹巴碉樓最原始的功能按照石碩先生的考究應是一種祭祀的建筑物，表達藏羌民族的自然崇拜和宗教信仰的。后來由于當地戰事多發，環境比較亂，才演變成用于防御功能[1]。如今現存的碉樓按照功能劃分主要有：用于存儲糧食的家碉，用于戰爭瞭望的要隘碉，用于界定每個寨子的地標性建筑物的寨碉，用于紀念人物或事跡的紀念碉，以及象征風水或者祭祀的風水碉等。由此可見，碉樓在當地具有多重功能，在歷史上具有舉足輕重的地位，這也是碉樓在丹巴地區如此密集的原因。

2.4 等級特征

藏羌碉樓代表的是威嚴高聳的建筑形象，是權利和財富的象征。在以前，建造一座碉樓要花費大量的人力物力，因此碉樓的所有者必然具有一定的社會地位和財富。碉樓的高度和型制也是財富與地位的象征，高度越高、平面型制越復雜的碉樓對于建筑的施工也有著更為嚴格的標準，因此代表了主人的身份與地位也更為尊貴。家碉、官碉、寨碉、宗堡碉分別代表了不同的所有者的身份。四角碉的所有者為具有一定經濟基礎的大戶人家；八角碉的一般為官碉，其所有者為當地的土司；十二角碉和十三角碉更為罕見，往往位于山頭，作為地界或軍事瞭望。

3 丹巴藏羌碉樓抗震減災設防思想

3.1 平面形態

前文提到丹巴碉樓平面形態多樣，在幾何學中三角形是最為穩定的結構，那么為何又衍生出角數更多的碉樓呢?原因在于碉樓的角就好似一道道的拉筋，碉樓角的數量越多，在外力的作用下建筑結構的支撐點越多，各點受力方向不一，更能抵抗外力，因而建筑結構越穩定。丹巴現存的角數最多的碉樓是蒲角頂的十三角碉，原來高度約60 m，是丹巴境內較高的碉樓。

3.2 空間形體

藏羌碉樓是下大上小的錐形體，下寬上窄的形體減輕了建筑上部的自重、增強了墻體基礎的穩固性。這種形體降低了建筑重心，對于水平荷載抵抗力較好。 因為在同樣條件傾覆力F的作用下，錐形體因重心低，傾覆力F作用的力矩小，因此建筑具有更好的抵抗傾覆能力(圖3)。

圖3 兩種形體穩定性分析

3.3 建筑高寬比

為保證碉樓的結構的抗側剛度，整體穩定，抗傾覆能力，碉樓建筑的高度和平面的寬度也有適當的比例。在總結了多例古碉平面與立面的關系后，我們發現古碉的高度和碉樓平面形態的周長接近1∶1～1∶1.2的關系，建筑的高度越高，平面的基座越大，大大增加了建筑的穩定性。例如邊長為6 m四角碉，高度控制在30 m內；邊長為2 m的八角碉，建筑高度控制在40 m內。

4 丹巴藏羌碉樓的抗震減災構造

藏羌碉樓抗震減災構造見表1。

表1 碉樓抗震減災做法一覽表

4.1 深基礎

藏羌碉樓的基礎埋設較深，一般為碉樓高度的1/10，埋設深度能達到5 m。同時有巨型石材砌筑的堅固的基座，石材具有很好的抗壓性能，足以承受上部的荷載。同時底部的實心砌體能夠降低建筑的重心，增強建筑的抗傾覆能力。另外，由于基座較高，碉樓的入口往往在距離地坪3 m左右的洞口，由繩索或屋頂平臺出入，易守難攻，具有很好的防御性。

4.2 “過江石”

在碉樓的轉角部位采用堅實粗大的石塊砌筑，又稱為“過江石”。由于建筑轉角部位受力最為復雜，是建筑受力的薄弱環節，為了加強碉樓局部的抗震性能，采用“過江石”進行組砌，體形較大的石材整體性能好，在復雜受力的情況下更穩定，其作用不是承擔豎向荷載的，而主要是抵抗剪力和地震力等橫向荷載。

4.3 組砌形式

不論哪一種平面型制的碉樓，其墻體都進行收分，外部下大上小，內部幾乎垂直于地面，下部最寬處能達到2 m，上部最窄處約0.5 m。墻體的厚度和碉樓的高度成比例，一般按照0.03∶1～0.05∶1進行收分，即墻體高度每增高1 m，墻體厚度減少30～50 mm。石材的組砌也是非常有講究，采用“梅花丁”的砌筑方法，這種砌法內外豎縫每皮上下都能錯開，故整體性較好，灰縫整齊、美觀。石頭間的縫隙填以黃泥和片石，增加摩擦，提高墻體抗壓性和整體性，使得墻體堅固牢靠[10-11]。

4.4 墻筋

碉樓的施工是由內部往外進行，碉樓內部四周的墻體每隔1.5 m的高度就要用木板設置一道橫筋，形成“腰箍”以承載上部石墻的荷載并加強碉樓的整體性。作為出入碉樓的洞口或者瞭望射擊的洞口上部放置巨木，形成過梁，用以承托洞口上部的荷載，將壓力分布到兩側(圖4)。

圖4 碉樓剖面

4.5 壁柱和“乾棱子”

在水平力作用下，墻體中部彎矩最大，因此為了防止墻體中部先于其他部位發生破壞，在墻體的外側設置魚脊狀“乾棱子”或在墻體內部的中部設置壁柱，增加墻體的整體剛度(圖5)。

5 結束語

丹巴古碉經歷了時間的洗禮和自然災害的考驗仍然屹立不倒，這是先民的智慧和工匠的巧手留下的財富。提取和吸收碉樓的抗震構造是對碉樓的技術解讀，碉樓通過嚴格控制建筑平面形態與高寬比、深埋基礎、轉角砌筑“過江石”、墻體內置橫筋和壁柱外設“乾棱子”等等技術手段使得碉樓歷經數次大地震的考驗，留傳上千年，這不禁令人贊嘆。借鑒和吸收碉樓的抗震技術，希望能對當代的建筑設計以及碉樓的保護和傳承提供借鑒和參考。

圖5 墻體結構穩定性分析