四川木結構古建筑斗栱的力學性能分析

李承偉 宋永勝 敖玉連 吳 偉 芮 倬

（中國建筑第七工程局有限公司， 河南 鄭州 450000）

四川省的木結構古建筑斗栱有著較為明顯的地域特點，大都采取“前繁后簡”或者前面較為濃密后面比較稀疏的方式來進行排列。我國是一個歷史悠久的大國，由于人類的發展進步離不開對建筑的有效建設，因此我國的建筑行業發展歷史也較為悠久。斗栱作為中國的木構建筑中最有特色也是文化氣息最為濃厚的部分，同時也是中國古建筑行業發展以來最為繁瑣復雜的建筑結構。隨著時代的發展，社會的進步，以及風俗文化的改變，相應的斗栱的結構以及布置方式都有著較大的改變。[1]

1 斗栱的起源

目前對于斗栱的起源沒有確定的說法，仍然處于眾說紛紜的狀態。按照構造方法，部分人認為斗栱的出現是因為受到樹杈形狀啟發得來的；另一部分則認為是由倒置的屋架進行變形形成的小型復合構架。

2 斗栱的演變

斗栱的歷史非常悠久，最早在商周時期就已經出現，并且一直到清代都有著明顯的使用。但是由于斗栱的各個部分在宋代之前并沒有專門的注解，因此無法有效得知道斗栱的各個部分在宋代之前的名稱。后期則出現了宋式名稱以及清式名稱，這兩種名稱的出現有效地使不同時期的斗栱得到了明顯的區分。各個時期的斗栱都有著明顯的不同。漢代時期還沒有對斗栱進行有效的形狀規定，因此在這一階段的斗栱有著各種各樣的結構；在南北朝時期則對斗栱有了進一步的結構規定，采用了人字模式進行斗栱的構建，又稱為人字栱 ；在宋朝一直到元朝時期對于建筑行業進行了有效的規則制定，在建筑規則的規范下，使斗栱的形狀得到了進一步的發展與調整，同時構造也更加復雜，并且減少了用材；到了明代時期，對于斗栱的建設有效地繼承了元代的斗栱的構造，還進行了進一步的改造，補間鋪作的數量增加至六到八朵；在清代時期的斗栱建造則是對于斗栱的名稱、外觀以及規格大小都有了新的規定。而在遼、宋、金時期中常見的偷心造斗栱的做法，在清朝幾乎失傳。[2]

3 四川斗栱

由于我國的國土面積較為遼闊，而四川在當時處于距離京都較遠的位置，因此四川的建筑物樣式的改變相對比較落后，使其斗栱建設與其他地區隨著時間的變化較為明顯的構造改變不同，這一地區的斗栱建設有著極其濃厚的地方特色。往往在一座木制的古建筑上可以發現各種不同樣式的做法。四川斗栱大都采用前密后疏的排布方式，在構造方式上則是采取前繁后簡的方式進行，這種斗栱的建造方式雖然較為繁瑣，但卻充斥著濃厚的四川文化氣息。[3]如下圖1。

圖1 栱四川斗

4 四川木結構古建筑斗栱的力學性能分析

在我國的古建筑的建設過程中，大都采用了木材進行有效的構建。木材具有方便取材并且加工方便的特點，因此這種建筑材料在建筑行業的使用一直沿用到今天。木材是一種有機材料，而其中多蘊含的木纖維更是使木材性質各異的原因。通過對于各個省市地區的木質結構建筑的有效研究發現，古建筑的建筑材料使用大都遵循就近原則，因此四川的古建筑結構大都采取使用楠木以及杉木等木材。通過對各個木材的數據分析以及彈性模量的計算得出了以下數據（如表1）。

表1

4.1 ANSYS分析流程

通過對三個斗栱模型的有效建立，并且將三個斗栱模型分別建立為木塔柱頭鋪作、計心造斗栱以及偷心造斗栱，但是由于斗栱的構成部件較多，構造較為繁雜等問題，因此必須要在對斗栱模型進行有效地掌握后，才可以使用SolodWorks 進 行斗栱的 三維模型的有效建立。在進行三維模型的斗栱建立前，應該先進行斗栱的各個部分零件的三維模型的有效建立，之后再進行有效的三維斗栱模型的裝配，有效地構建出三維斗栱模型并且進行科學的斗栱力學性能的分析。

4.2 材料屬性

由于木紋的方向以及強度的不同，因此在實際的應用中對于斗栱各個構件的承載力的影響也大不相同。在進行ANSYS的模擬實驗中，為了有效地對模擬的木材進行詳細的數據記錄，就需要在模擬過程中將木材的屬性設為不同的模式，從而有效地促進模擬實驗數據的準確性。

4.3 劃分網格

可以通過使用網格劃分的方式有效地進行數值的求解計算。網格劃分得越密集其實際模型的數據也會越接近于古建筑的結構數據。但是同時對于計算精確度的要求也就越高，使求解規模也會大幅度的增加。因此，為了有效地提高計算效率，就必須要使計算的精確度、求解規模與網格劃分的密度進行有效的綜合，使其在可以承受的計算范圍內最大限度的使實際模型的數據貼合古建筑結構模型。[4]

4.4 施加約束以及荷載

在進行有限元模型的條件設置時，對于模型的邊界的條件進行有效控制，可以使實驗的條件達到統一，從而有效的模擬斗栱的力學性能在各種模式下所產生的數據，之后進行詳細的計算整理，進一步得到有效的斗栱的力學數據，然后進行數據間的比對，得到完整的數據結果。

4.5 有限元的分析結果

隨著三種斗栱三維模型的有效建立，使斗栱的各個部件在不同的受力情況下進行有效的模擬，從而進一步的得到斗栱的力學數據。并且通過有效的斗栱力學性能的實驗對比以及科學分析得到有效的結果。

4.6 分析對比

通過有效的數據比對分析可以得出斗栱在豎向荷載的力學性能是可行的，并且通過對實驗數據的合理分析，還可以有效的了解斗栱在豎向荷載作用下的力學的相關特征。通過模擬實驗可知斗栱的水平力會隨著位移的增速而增大，隨著位移的降速而減小。由此可知用ANSYS可 以有效地對斗栱的力學性能進行詳細地分析。計心造斗栱在進行模擬過程中可以發現，其在豎向荷載的作用下，會出現兩個階段的力學性能。第一階段會隨著荷載的增大導致位移的快速增加；第二階段則恰恰相反，會隨著荷載的增加導致位移的減慢。而產生這兩個階段的主要原因則是因為計心造斗栱出現了彈塑性問題，因此導致兩個階段的數據不同。通過對計心造斗栱進行多次反復的荷載步實驗，并且對實驗數據進行有效的記載，使數據在后續可以進行進一步的整理。在對實驗數據進一步整理，在荷載步的加載初期，斗栱的各個部件對于荷載步的承受能力較強，彈性較好，因此水平位移增速較大但是對著水平位移增速達到一個頂點時，斗栱的各 個部件就會進入塑形階段，從而減少斗栱的剛度。[5]

4.7 水平低周反復荷載作用下的力學性能

在進行斗栱的有限元模型構建后，將斗栱進行有效的倒置，并且施加足夠的豎向荷載，使斗栱在整個過程中的位置不變，并且通過多次反復的實驗，使實驗數據可以無限地接近實驗條件，在斗栱的加載初期可知，斗栱的各個結構部件在這一階段處于彈性階段。通過實驗數據可知，由于偷心造斗栱的構建方式的特殊性，使其可以更有效地減少因為地震災害所造成的建筑破壞問題。

5 結論分析

通過對于模型的建立以及有效的實驗可以得知，三種斗栱在不同的力學荷載下會得到不同的力學性能。[3]數據具體結論如下：第一，在進行豎向荷載試驗時，通過對三種斗栱進行有效的豎向荷載作用，計心造斗栱與偷心造斗拱的彈性受力能力相對來說比較接近，并且對于彈性的承受能力也大多都相同。但是同等條件下的模擬測試，計心造斗栱對于豎向荷載的承受力要遠高于偷心造斗栱的承受能力，但是其自身的穩定性要遠低于偷心造斗拱的穩定性。因此在豎向荷載的承受能力方面的模擬實驗可以有效的了解偷心造斗拱與計心造斗拱之間的差異；第二在進行水平低周反復荷載的模擬實驗室，可以明顯的發現通過有效的相同數據的水平低周反復荷載的作用下，計心造斗栱的抗側剛度要遠遠的大于偷心造斗栱，并且兩種斗栱弧形曲線相似度極高。同時這種模式的斗栱也有效的應用在了四川的饒益寺大佛殿之中。因此四川的饒益寺大佛店的抗震能力極強，并且其自身的斗栱布置目前由三種方式構成。通過有效的研究可知ANSYS 成語可以有效地對斗栱的構建以及斗栱的力學性能進行有效的模擬實驗，并且可以使斗栱的實驗數據更加接近于中國古代的古建筑所用的斗栱的數據，從而可以有效地提高實驗數據的準確性以及精確性，還可以有效地使人們對于斗栱的認識進一步加深，使人們對于古代的建筑構造進行進一步的認識與了 解。通過對斗栱的實驗分析，并且通過對其抗震原理的科學分析與探索，還可以進一步提高我國建筑行業的進一步發展，使我國建筑的防災抗震能力得到進一步的加強。同時由數據可知，我國的斗栱建筑結構不僅可以有效地減少因地震帶來的房屋塌陷的問題，還可以有效地提高房屋的抗震能力。通過有效的實驗以及對實驗數據的進一步整理分析，使我們對于斗栱的力學性能的研究進一步地加深，通過對于斗栱的力學性能認識進行進一步的總結，可以使人們可以有效的認識并且了解斗栱，并且知道斗栱在我國古建筑時期的重要作用，并且更加深刻地認識到斗栱的特殊地位。

6 結語

綜上所述，斗栱在我國古代建筑中的出現，不僅是人們智慧的產物，還是人們創造力的體現。通過對斗栱全面的力學性能的研究，從而有效的了解其本身的效能，并從中進行學習，不僅可以使人們對于古建筑中的斗栱有了進一步的認識與了解，還可以有效的通過實驗數據可以得到斗栱的相關技術數據，從而使我國的古代建筑構造進一步地被人們認識。通過對于斗栱的有效的力學研究，還可以將斗拱的建筑構造充分地融入到當今社會的建筑設計中，從而有效地提高我國建筑對于地震災害的抵抗能力，提高建筑的穩定性，使地震來臨時，建筑可以減少坍塌的概率，從而進一步地保障我國人民的生命以及財產的安全，才可以有效地維護社會穩定，提高社會的發展進程。同時通過對四川木結構古建筑斗栱的力學性能進行科學的分析，可以有效促進我國建筑行業進一步發展。