紫禁城何以在222次地震中安然無恙

自1420年至今，北京發生了大大小小的地震222次，紫禁城均安然無恙。這其中的秘密是什么？周乾指著大殿檐柱根部的一塊不起眼的石頭說：“柱頂石是古代中國建筑裝飾藝術的一個縮影，關鍵時刻具有四兩撥千斤的效果。”

2021年11月3日，人民大會堂舉行了隆重的表彰大會，2020年度國家科學技術進步獎揭曉。在獲獎單位名單中，故宮博物院位列其中。據了解，不僅故宮博物院，整個文博行業都是首次獲此殊榮。為故宮博物院捧回這個大獎的，是故宮學研究所研究館員周乾博士。那么，600多歲的紫禁城是如何和科技進步聯系起來的呢？科技大獎背后的紫禁城又有怎樣的秘密？

為故宮牽緣科技大獎

榮獲國家科技進步一等獎的《中國城鎮建筑遺產多尺度保護理論、關鍵技術及應用》項目，是我國建筑學領域首次獲國家科技進步獎一等獎。

故宮博物院得以參與這個項目，主要是科學評估了中國明清官式木構古建筑的抗震機制，提出了榫卯節點加固的改進方法，建立了明清官式木構古建筑不同構造、節點及結構整體精細化有限元分析模型，提升了我國木結構文物的科學保護水平。

“這個大獎對故宮博物院來說是一項榮譽，是對幾代故宮人科學保護古建筑的一種肯定。”周乾說，“走，咱們去太和殿現場看一下。”

在紫禁城外朝中軸線上，矗立著三座重要的建筑，由南至北分別是太和殿、中和殿、保和殿。其中，太和殿俗稱金鑾殿，是紫禁城內規模最大、等級最高、體量最大的建筑，也是中國現存最大的木結構宮殿建筑。這里是皇帝舉行重要儀式的地方，也是見證很多重要歷史時刻的地方。

初進宮遇上太和殿

“我很幸運，一進宮就遇上了太和殿。”周乾幽默地說。更幸運的是，周乾一進宮就趕上了太和殿百年大修。1697至2003年，太和殿306年從未經歷過大修。“古代工匠營建、修繕建筑都是采用口傳心授的方式，由師傅傳給徒弟，主要憑的是經驗，太和殿之前的幾次修繕也是如此。這次大修，領導要求我現場勘查后進行結構力學計算，再進行安全評估，拿出修繕建議。”這段往事，周乾至今記憶猶新。

在這千載難逢的機遇中，周乾為太和殿進行了一系列“體檢”，從安全角度為太和殿大修提供了重要的施工依據。2008年，歷時兩年的太和殿大修終于完工，周乾提出的修繕建議均被采納。今天我們看到的太和殿，就是此次大修后的樣子。“這次太和殿大修，反映了中國古建筑保護人員具備了對文物采取及時有效保護的能力和水平。”周乾自豪地說。

解碼古人抗震智慧

自1420年至今，北京發生了大大小小的地震222次，紫禁城均安然無恙。這其中的秘密是什么？

中國古建筑以木結構為主，怕火但抗震性能良好。木結構古建具體是如何抗震減震的？能不能對其進行精準分析？在勘查太和殿的過程中，周乾逐漸萌生了一個大膽的想法：用現代科學解碼古建秘密。

“這是柱頂石，也叫柱礎。”周乾指著大殿檐柱根部的一塊不起眼的石頭說，“柱頂石是古代中國建筑裝飾藝術的一個縮影，其主要作用就是緩沖地震。”

木制的柱子在地面很容易霉變腐敗，所以墊上柱頂石，使柱子高于地面防止腐變。仔細看，柱子并不是插進柱頂石中，而是平擺浮放在柱頂石上的，立柱與柱頂石并不存在拉接關系，柱頂石頂面面積大于木柱截面面積。在發生地震時，柱子根部反復在柱頂石表面滑動，地震結束后可基本恢復到初始狀態，緩沖了地震的破壞作用，具有四兩撥千斤的效果。

紫禁城的營建頗像搭積木，這種“搭建”的營建方式充分體現了中國傳統木作的精巧和科學。

據了解，紫禁城的宮殿多為廡殿頂和歇山頂，碩大的屋頂披著橙黃色的琉璃瓦，和端莊大氣的紅墻共同組成華麗威嚴的皇家色調。在黃瓦紅墻之間，是青綠色的額枋以及鑲著金邊的斗拱。

一個個斗形和弓形的木構件環環搭扣又層層疊加，緊密而有序，盡顯中國古建的繁復之美。“斗拱是集建筑力學和美學于一體的典型。”周乾說，“斗拱的力學智慧精華在于它的抗震本領。斗拱由木材制成，很容易產生變形并可以迅速恢復原狀，斗拱在豎向由一層層構件疊加起來，就像一層層彈簧連起來。發生地震時，斗拱像彈簧一樣反復做壓縮、復原運動，不斷削弱地震力。斗拱還能產生自動恢復功能，猶如不倒翁，這是因為斗拱上部體積大但構件單體截面面積小，下部體積小但構件單體截面面積大。斗拱的重心位于斗拱的下方，在水平地震力的作用下，盡管產生搖擺但不易傾覆。”

周乾指著斗拱最底層的坐斗說：“坐斗截面面積最大，增大了斗拱與其底部的接觸面。斗拱這種彈簧特性，從科學的角度稱為‘隔震’。”他形象地打了一個比方，“就像霍元甲接西方拳師的拳頭，倒退幾步，以柔克剛。”

（《北京日報》）