川西北安多藏式民居的結構特點及抗震性能

李碧雄，趙開鵬，王甜恬，劉慧軍，李梁慧

（1.四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065；2.四川大學災后重建與管理學院，四川 成都 610065；3.深地科學與工程教育部重點實驗室，四川 成都 610065）

引言

作為三大藏區之一的安多藏區主要分布于四川、甘肅和青海三省，是一個多民族長期遷徙的“藏羌彝走廊”地區。因其獨特的地理位置及歷史上的多民族交融，使得安多民居既保留了藏式建筑族源上的特征，又因受周邊文化影響發展出多元化的地域性特點。郭桂瀾［1］從建筑的適應性角度對阿壩州安多藏區民居進行了分類，即阿壩州高原牧區、山原半農半牧區、山原農區和高山峽谷林區等四類安多藏式民居。大部分安多藏區地處地震頻發地區，有必要關注其傳統民居結構抗震性能，以提高該類村鎮建筑的抗震安全性。

針對傳統藏式民居，學者們的目光幾乎都聚焦于藏民的“黑帳篷”和“碉房”，相比之下，專門針對安多藏區內藏式民居的研究文獻資料為數不多，且主要從建筑學和規劃的角度研究安多藏式民居［2～5］。從結構角度關注傳統藏式民居的文獻不多，僅有幾篇文獻只涉及了墻體構件或木構架節點的力學特性［6－8］，基于該類建筑的整體結構組成特點的抗震性能分析幾乎無人涉獵。2017年九寨溝地震后，業界對安多藏式民居抗震表現有所提及［9－14］，一般將其籠統歸為磚木結構或石木結構類，沒有觸及藏式民居特有的結構構造特征，對于其成災機理缺少系統的分析。

本文以安多地區木構架藏式民居為研究對象，通過實地調研和文獻分析，結合安多藏區地理分布特征以及地震動區劃，從整體結構組成和構造特點、歷史地震中抗震表現等角度，分析其抗震性能和抗震薄弱環節，在此基礎上形成抗震設計和建造建議，以提升安多藏式民居的抗震性能，促進安多藏族文化的傳承與發展，保護安多藏區藏民的生命財產安全。

1 安多藏式民居的主要結構型式及抗震表現

1.1 安多藏式民居的主要類型及地理分布

安多藏區主要分布于甘肅藏區、青海藏區和四川阿壩地區，位于藏族分布中心區的邊緣地帶，由于地緣關系，自古以來就與東邊的漢文化和北方的阿爾泰文化聯系密切，形成了獨特的安多文化和建筑風貌。因安多藏區分布廣泛，各處自然環境條件、生產生活模式和民居風貌等差異顯著，故安多藏區通常又分為高原牧區、山原半農半牧區、山原農區和高山峽谷林區等類別［1］。各區域的傳統民居建筑結構差異較大，以下逐一分析。

（1）高原牧區

該區藏民以放牧為生，逐水草而居，主要分布于青南高原西部和北部，以方便遷移的草原黑帳篷為其傳統住屋。草原黑帳篷以木樁支撐，繩索牽拉，上百張牦牛皮覆蓋，形成蚌殼形、四方形或尖頂圓形的牧帳［1］。牧帳以木柱傳遞豎向荷載，以繩索拉力抵抗水平風荷載，結構樸實，是極富民族特色的非永久性民居，如圖1所示。

圖1 “黑帳篷”結構示意圖Fig.1 “Black Tents”structure diagram

（2）山原半農半牧區

該區主要分布于青海果洛州和黃蘭州等地，靠近藏族分布中心區，民居風貌為藏區最常見的夯土或石砌平屋頂建筑，因形似碉堡，稱之為“碉房”。碉房的結構組成如圖2所示，以夯土墻或片石墻作為外圍承重墻，與內部木構件構成豎向承重體系，是較為典型的密椽平頂式建筑。梁柱連接為“擱搭方式”，即將梁簡單擱置于柱頂或通過替木、墊木擱置于柱頂，柱下端通過柱基立于樓面或地面，柱分層立放，且上下層間柱位可能錯開。

圖2 “碉房”結構示意圖Fig.2 “Blockhouse”structure diagram

外圍筒狀墻體和內部木框架構成了剛柔并濟的承重體系：寬厚的外墻具有較大的抗壓強度和剛度［6－8］，不僅承擔起民居主要的豎向荷載，更是抵御水平風荷載和地震作用的主要構件；內部的木框架在地震作用下具有較好的延性，適當的彈性變形可耗散地震作用釋放的能量。

（3）山原農區和高山峽谷林區

該區主要分布于四川阿壩州和甘肅甘南州等地，如九寨溝地區，因與漢族地區接壤，民居型式受漢文化影響頗深，不同程度上借鑒了漢族木構架建筑的特點，形成了漢式木構架與藏族傳統碉房混搭的獨特建筑結構。根據受漢族建筑文化影響程度的不同，大致可分為以下兩類結構形式。

（1）受漢文化影響相對較少的藏族民居，梁柱連接方式以傳統碉房的“擱搭方式”為主，邊柱與梁采用卯榫連接，且沿房屋高度貫通，最頂層采用木構架雙坡屋面，如圖3（a）所示。在川西北地區還能觀察到如圖3（b）所示的情況，頂層以“似穿斗式木構架”承重，即采用木枋穿柱，椽子擱于柱頂，但其他部分仍采用傳統密椽平頂式結構，笨重的樓面荷載由主體木構架承受，可稱其為“半穿斗式混合結構”。這類半穿斗式藏式建筑的夯土墻或砌體墻僅作為圍護，分層砌筑。

圖3 半穿斗式藏族民居結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of a half-through bucket-style Tibetan house

（2）受漢文化影響較多的藏族民居，其結構型式已接近漢式穿斗木構架，如圖3 所示，形成以穿斗式木構架為主、底層夯土墻為輔的承重結構體系，“半截夯土承重墻，穿斗屋架升二三層”可概述其結構特點［1］，該類房屋與南方漢式穿斗木構架最大的不同是其樓蓋大都采用藏式做法，體量笨重。

上述兩類以木材為主的藏式民居，主梁與柱傳力較為清晰，但因樓板具有多層構造，樓層之間的傳力方式頗為復雜。由于民居木材加工等局限，圓椽、限制樓板夯土層的外圍構造和木墻底部的木基礎等構件尺寸與主梁尺寸相差不大，從建筑外側看樓層傳力極為復雜。民居主要的豎向荷載都由木柱承擔，水平荷載主要由民居中的通長柱承擔。由于圓椽密布且尺寸較大、房屋開間較小，樓板剛度及自重較大，較為考驗主梁及梁柱節點的承載能力。

基于實地考察和文獻資料查閱，上述各類安多藏式民居在地理上的分布如圖4 所示，位于四川、甘肅和青海三省交界地區，地處青藏高原東緣的橫斷山脈，地震頻發，歷史上在川西北地區發生過大大小小的地震700 余次，其中：以1933 年7.5 級疊溪地震、1976 年7.2 級松潘-平武地震、1989 年6.6 級小金地震、2008 年8.0級汶川地震和2017 年7.0 級九寨溝地震影響最為強烈。從中國地震動參數區劃圖可以看出：安多藏區大部分位于7度（0.15 g）及其以上抗震設防烈度地區：一方面，藏民們在遭受歷次地震劫難后，民居結構構造亦在不斷完善和改良，努力適應抗震需求，在歷史長河中發展成今日的建筑型式，其中有對抗震有利的部分值得發揚；另一方面，隨著社會經濟快速發展，人類對居住安全要求越來越高，在保留其建筑風貌和文化的同時，應從結構抗震理論的角度引領其發展，提升其建造水平。

圖4 穿斗式藏族民居結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of bucket-type Tibetan dwellings

綜上所述，安多藏區的民居結構構造與其所在的地理位置密切相關，從圖5可知：位于藏漢交接地區的山原農區和高山峽谷林區民居系藏式碉房和漢式穿斗木構架的混搭，其結構的主要特征可概括為圖6所示。藏族中心區或靠近中心區的藏式民居主要由外圍石砌墻或土夯墻與內部木柱共同承重，各層樓屋蓋木梁通過“擱搭方式”簡支于墻或木柱上，每層木柱支承于地面或樓面上，沿高度方向不貫通，這類房屋屬于混合結構承重，整體性不強，內部層與層之間不連續，但外圍厚重墻體會加大房屋的整體剛度。與漢族接壤的藏區藏式民居或多或少引進了穿斗木構的做法，外圍護墻不參與承重或僅部分參與承重，一定程度上改善了房屋的整體性，優化了結構承重體系。

圖5 安多藏式民居地理分布圖Fig.5 Geographical distribution map of Amdo Tibetan dwellings

圖6 山原農區和高山峽谷林區民居的結構特點Fig.6 Structural characteristics of residential houses in the mountain plains and forest areas in the mountains and valleys

1.2 歷史震害表現及震害特征

2017 年九寨溝地震中當地民居遭受了不同程度的破壞，震中漳扎鎮所轄區域即為傳統的安多村落，九寨溝地震中安多民居的震害表現及震害特征為解析安多藏式民居的抗震性能提供了依據。

由于震中地區民居結構型式多樣，震害亦各不相同，圖7給出了一些典型的破壞情況，如圍護墻倒塌、局部坍塌等，可以看出：非結構構件圍護墻的破壞非常普遍，調查顯示，因非結構構件震壞導致至少5 人遇難，該現象也應引起業界關注。

圖7 九寨溝地震中民房典型震害情況Fig.7 Typical earthquake damage to private houses in the Jiuzhaigou earthquake

根據九寨溝地震后專家小組對極震區（Ⅷ和Ⅸ區）建筑物的震害調查資料［11］，統計受損建筑共計337棟，其中：木構架85棟，磚混結構110 棟，RC（鋼筋混凝土）框架結構61 棟，RC 框架-砌體混合結構81 棟，受損情況見表1。表中平均震害指數反映了各類結構房屋的受損程度，指數越大，說明該類房屋具有更高的易損性。木構架房屋主要指安多藏區的藏式民居。

由表1 可知：極震區木構架民居平均震害指數明顯大于框架結構，與另外兩種結構大致相當。相較于另外三種結構型式，木構架毀壞率和嚴重破壞率均為最高，分別達5.9%和29.4%，說明有相當比例的木構架房屋的抗震能力堪憂。但也應注意到，在磚混結構和RC 框架-砌體混合結構基本完好率為零的情況下，木構架為5.9%，僅略低于RC框架結構，表明有一部分木構架房屋表現出了優良的抗震性能。

表1 九寨溝地震極震區各類房屋的震害矩陣（%）［11］Table 1 Earthquake damage matrix of various types of houses in the Jiuzhaigou earthquake extreme earthquake zone（%）

雖然木構架房屋毀壞率達5.9%，但整體垮塌的卻很少［13］，震損特征主要表現為墻體等圍護結構開裂、外閃或倒塌，或是屋面掉瓦，梁柱搭接處局部斷榫、脫榫或移位，柱腳發生滑移等［12，14］，具有典型的“墻倒屋不塌”特點。相比之下，就主體承重結構層面而言，木構架房屋更多表現為非結構構件破壞和構件的連接處破壞［10］。

值得指出的是，2008 年汶川地震后，當地居民防震減災意識大大提升，在政府指導下，居民開始有意識地對現有民居進行修復和加固。民居使用效果更好的水泥等膠凝材料，減少夯土墻，加固梁柱節點，增加部分抗震設防措施等，這些舉措在2017年九寨溝地震中發揮了積極作用，與同震級的蘆山地震相比，九寨溝災區簡易房屋整體的抗震性能較強［15］，災害損失也相對較小。

2 結構組成特點及抗震性能分析

2.1 抗震薄弱環節分析

木框架具有較好的延性，而墻體自重和剛度較大，因此在地震作用下，民居的損傷大部分來自于墻體的破壞。同烈度下，磚混結構的墻體和框架結構的填充墻破壞程度較小，多為裂縫發育，嚴重時為“X”形貫穿裂縫，而藏式民居的墻體由于砌筑方式特殊和黃泥等膠凝材料強度不足等原因，多表現為墻體剝落，嚴重時墻體垮塌為松散堆積物。

為了揭示木構架安多藏式民居在九寨溝地震中抗震表現的內因，從結構整體組成、細部連接構造、地基基礎等方面剖析其抗震薄弱環節，結構簡化力學模型示意如圖8所示，不利于抗震的因素可歸納為以下幾點：

圖8 川西北地區典型安多藏式民居的結構簡化力學模型Fig.8 Simplified mechanical model of typical Amdo Tibetan dwellings in northwestern Sichuan

（1）結構承重體系混雜。木構架與砌筑墻混合承載，榫接連接與“擱搭”連接并用，傳力路徑不清晰，各部分的剛度不均衡，強度不匹配，地震中的抗震薄弱點易率先發生破壞而危及整體結構安全。

（2）豎向連續性差。為數較多的安多民居采用分層建造的方式，上下層之間僅靠外圍承重墻或部分貫通柱來維持層間連續性，較少使用通長柱［16］。此外，由于大部分梁柱連接很少使用釘子和榫接方式，簡單“擱搭”方式較多，進一步削弱了其整體性。需要指出的是：豎向分層建造也有可能給房屋抗震帶來有利的一面，地震中層間錯動可以吸收和耗散一部分地震能量，從而減輕對結構構件的不利影響。

（3）樓板自重大。大部分采用傳統藏式民居的樓屋蓋構造，即密椽平頂式樓蓋，樓面密布圓木椽子、木板、草木和夯土等多層結構材料［17］，與漢式木板樓面相比，較大的樓層自重不僅增加了梁柱及承重墻的負擔，也會加大地震作用。

（4）砌體或夯土墻的強度低、剛度大。作為承重墻易發生震害而導致房屋坍塌，作為外圍非承重墻的損害風險高，易造成人員傷亡；無論是外貼還是內嵌的圍護墻，與木框架均無任何拉結或加強整體性的措施，加大了其震害風險。

（5）建筑場地易失效。川西北安多藏式民居大多依山而建，因地制宜，依據山坡的緩急，地基的處理方式不盡相同，但普遍為半挖半填，場地處理簡單。地震中場地失效也可能導致其上的房屋破壞。

2.2 建筑結構風貌及有利抗震的結構構造

川西北安多藏式民居在一座座山坡上呈現“下土上木，木瓦封頂”的樓閣狀居所，兼具厚重與輕盈特征，富含文化與生活的氣息，地方特色明顯，與自然融為一體。土夯墻、石砌體、藤條、木塊瓦、木構架乃至砌筑黃泥，均取材當地，具有良好的生態友好性。而在安多藏族悠久的發展歷史中，歷經若干次地震洗禮的藏式民居也形成了一些獨特的抗震結構和構造，主要體現在以下幾方面。

梁柱連接方式既有相對簡單的直接擱搭式，也有較為復雜的雀替構造。前者受力簡單，顯粗獷之美，柱上端呈弧形，直接“叉”起大梁，或者在柱頂起一塊托木，兩側梁交錯搭接于其上，稱為“毛柱頭”，梁的錯接不用卯榫和釘子，簡單且更換方便，適用于房屋底層［18］；后者可視為半剛性節點，常見于民居二層或宗教建筑，如圖7 所示，柱、斗、墊木、弓木、連梁從下到上形成集優美與實用為一體的節點組合，輔以暗銷固定［19］，是長期以來藏式民居的獨特結構節點，在結構中荷載傳遞具有重要作用。繪有艷麗色彩的雀替托起梁，裝飾在藏民極為看重的經堂，成為藏式民居一道靚麗風景。此外，在青海同仁郭麻日村藏式民居發現如圖9所示的插柱構造［20］，在下層柱頂留有榫頭，上層柱底留有卯槽，甚至會用鋼釘在接縫處環釘一周，增強柱抗側移能力，加強層間豎向連續性。

圖9 插柱構造示意圖Fig.9 Schematic diagram of inserting post structure

純砌體或夯土墻的整體性依賴于墻體內部材料的粘結性能，剛度較大，延性有限。墻體向上收分、內部輔以柳條、木棍編制而成的網狀結構的承重生土墻如圖10（a）所示，是藏民們與大自然長期斗爭的智慧結晶，極似現代鋼筋混凝土構造。獨特的墻體構造使其在地震作用下泥散而墻不倒，震后修復容易。另有墻體使用柳條墻如圖10（b）所示、木板墻或柳條敷泥墻形式［1］，可有效減輕結構自重。

圖10 安多藏式民居墻體Fig.10 Walls of Amdo Tibetan houses

3 抗震設計和建造建議

基于上述分析，對安多藏式民居的設計建造提出了以下建議：

（1）優化結構構造體系

在保持安多地區藏式民居建筑風貌的同時，優化結構體系，加強房屋的整體性，盡量減輕自重，形成抗震科學合理的結構構造。

傳統藏式民居木框架主次梁布局不甚合理，圓木椽子布置密集，樓面多層構造，面層以土夯實，自重較大且易造成木構件腐蝕。圓木椽子應適當減少并減小其直徑，主梁及其他主要木框架承重構件可適當加大其尺寸或以強度更高的復合材料代替。如今混凝土面層已逐漸代替夯土面層在部分藏民家中運用，堅固且耐久。此外，平整的木質樓板亦可替代夯土樓板作為現代化藏式木質民居的重要組成部分。

（2）發展新型建造材料和建造工藝

挖掘傳統建造工藝中亮點，引入新材料新工藝，實現墻體的結構受力功能和保溫隔熱功能的統一，提升民居的居住安全性和舒適性。

傳統藏式民居大多數墻體抗震性能有限，耐久性不佳，引入水泥、磚砌體等材料代替黃泥、毛石等傳統材料，能有效提升墻體的強度和耐久性。外圍的藤條墻常以敷泥的方式取得保溫隔熱的效果，但強度及耐久性能有限。摻稻殼灰的水泥混凝土具有良好的保溫隔熱性能［22］，兼顧強度與綠色發展的理念，可考慮將其作為藏式民居的新型墻體材料加以利用。

（3）促進藏式民居建造標準化

在地方職能部門的統籌和專業人員的參與下，形成具有地方特色安多藏式民居設計施工及抗震加固導則或手冊，確保當地藏民居住安全。

4 結語

經過實地調研和文獻分析，傳統安多藏式民居的結構特點和抗震性能可總結如下：

（1）民居建造就地取材，具有典型的生態建筑特征，受穿斗式木構架影響程度不同，而形成結構構造各異的安多藏式民居。

（2）結構體系混雜，木構架與砌筑墻體聯合承重，木構架中梁柱榫接與擱搭連接同時出現，地震中受力機理復雜，易形成抗震薄弱環節。

（3）房屋豎向連續性差：一方面削弱性房屋的整體性；另一方面，地震中的層間錯動有助于耗散地震能量。

（4）砌筑墻體強度低且缺乏整體加強措施，地震中率先發生破壞，危及結構及人員安全。

綜上所述，建議在保持藏式建筑風貌的前提下，加大引進現代設計建造技術和材料、工藝，開發安全舒適的藏式民居，形成安多藏區民居安全、文化繁榮和共同富裕的共贏局面。